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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen aktiven Schwingungstilger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2004 043 135 B3 ist ein aktiver Schwingungstilger bekannt, der Schwingungen nur in einer translatorischen Richtung tilgen kann. Mit diesem Schwingungstilger können nur Schwingungen getilgt werden, die in die Wirkrichtung dieses Schwingungstilgers eingeleitet werden. Schwingungen, die aus einer anderen Raumrichtung als der Wirkrichtung eingetragen werden, können mit diesem Schwingungstilger nicht getilgt werden.
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Aus der
DE 199 08 915 B4 ist ein Schwingungstilger für ein Lenkrad mit einem Airbag bekannt. Dieser Schwingungstilger kann Schwingungen unabhängig von der Lenkradstellung reduzieren. Durch das rotationssymmetrische Design der in diesem Schwingungstilger verwendeten Elastomerfeder ist dessen Eigenfrequenz in allen radialen Richtungen gleich. Bei diesem Schwingungstilger handelt es sich um ein passives System, so dass letztlich nur eine Schwingungsfrequenz getilgt werden kann.
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DE 10 2008 030 757 A1 offenbart einen bimodularen Airbag-Tilger, welcher einen Aktor zur Erzeugung von Schwingungen und Vibrationen aufweist.
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Es besteht jedoch ein Bedarf nach einem aktiven Schwingungstilger, der ein breites Band an Schwingungsfrequenzen tilgen kann. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einem aktiven Schwingungstilger, der diese Schwingungsfrequenzen unabhängig von der Stellung des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs betilgen kann.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen aktiven Schwingungstilger der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass ein breites Frequenzband von Schwingungen eines Lenkrads eines Kraftfahrzeuges getilgt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßer aktiver Schwingungstilger umfasst ein Auflager, eine Tilgermasse und eine Antriebseinrichtung, wobei die Tilgermasse durch eine Federeinrichtung mit dem Auflager verbunden ist, wobei die Tilgermasse relativ zum Auflager federnd bewegbar ist, wobei die Tilgermasse durch die Antriebseinrichtung derart geführt bewegbar ist, dass sie Bewegungen des Auflagers entgegenwirkt, und wobei die Antriebseinrichtung Permanentmagnete umfasst, die mit stromdurchflossenen Körpern wechselwirken.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung die Tilgermasse relativ zum Auflager in mehrere, vorzugsweise beliebige, in einer Ebene liegenden Richtungen auslenkt oder die Tilgermasse relativ zum Auflager rotiert.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass eine Tilgermasse aufgrund des geschichteten Aufbaus der elektromagnetischen Antriebseinrichtung radial bewegt werden kann. Durch eine gezielte Ansteuerung bestimmter stromdurchflossener Körper kann die Tilgermasse in beliebige radiale Richtungen innerhalb im Wesentlichen einer Ebene ausgelenkt werden. Hierzu ist lediglich die Stromflussrichtung im jeweiligen stromdurchflossenen Körper derart zu wählen, dass entstehende tangentiale Kräfte die Tilgermasse in eine bestimmte Richtung auslenken. Durch die Federeinrichtung wird die Tilgermasse im unbestromten Zustand in einer NullPosition gehalten. Der aktive Schwingungstilger kann erfindungsgemäß radial auf die signifikanteste Anregungsfrequenz eines Lenkrades abgestimmt werden. Erfindungsgemäß können beim Betrieb des aktiven Schwingungstilgers bei dieser Anregungsfrequenz die durch die Elektrodynamik zur Verfügung gestellten Momente beziehungsweise Kräfte überhöht werden, wodurch maximale Momente erreicht werden können. Weiter ist erkannt worden, dass neben der beschriebenen radialen Auslenkung eine rotatorische Auslenkung möglich ist. Hierzu müssen die stromdurchflossenen Körper lediglich derart bestromt werden, dass die resultierenden tangentialen Kräfte in die entsprechende Richtung zeigen.
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Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
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Die stromdurchflossenen Körper könnten als Spulen ausgestaltet sein. Spulen können sehr flach aufgebaut sein und daher in einen Axialspalt zwischen den Permanentmagneten eingefügt werden. Der Axialspalt ermöglicht eine laterale Auslenkung der Tilgermasse, um bei beliebiger Lenkradstellung einer Anregungsrichtung direkt in radialer Richtung entgegenzuwirken.
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Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass die stromdurchflossenen Körper als bedruckte Leiterplatten ausgestaltet sind. Bedruckte Leiterplatten können ebenfalls sehr flach bauen und in einen sehr engen Axialspalt eingebaut werden.
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Die stromdurchflossenen Körper könnten als gestanzte Bleche ausgestaltet sein. Diese konkrete Ausgestaltung erlaubt einen kostengünstigen Aufbau des aktiven Schwingungstilgers.
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Die stromdurchflossenen Körper sind auf einer Scheibe angeordnet. Durch eine Scheibe ist ein rotationssymmetrischer Aufbau des aktiven Schwingungstilgers möglich. Auf der Scheibe können stromdurchflossene Körper in einem solchen Muster und in einer solchen Anzahl vorgesehen sein, dass die Tilgermasse in alle radialen Richtungen ausgelenkt werden kann. Insoweit kann durch die Anzahl der stromdurchflossenen Körper und das Muster deren Anordnung auf der Scheibe eine Auflösungscharakteristik festgelegt werden, mit welcher Schwingungen betilgt werden können.
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Die stromdurchflossenen Körper könnten zwischen einander gegenüber liegenden Polen der Permanentmagnete angeordnet sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann problemlos die Lorentzkraft genutzt werden, die auf einen bewegten Leiter in einem Magnetfeld wirkt. Die Lorentzkraft kann genutzt werden, um die Tilgermasse relativ zum Auflager auszulenken. Vorteilhaft weist der aktive Schwingungstilger mehrere Spulen auf, die auf einer Scheibe angeordnet sind. Diese Spulen können unabhängig voneinander angesteuert bzw. mit Strom versorgt werden und durch die Permanentmagnete mit Kraft beaufschlagt werden. Die Permanentmagnete können als einzelne Scheibenmagnete oder als sonstige Permanentmagnete ausgeführt sein.
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Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass eine erster Satz von Permanentmagneten an einem ersten Halteblech und ein zweiter Satz von Permanentmagneten an einem zweiten Halteblech angeordnet sind. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann zwischen den einander gegenüberliegenden Nord- und Südpolen der Permanentmagnete ein Axialspalt geschaffen werden, in dem die stromdurchflossenen Körper beziehungsweise Spulen aufgenommen sind. Des Weiteren können die Permanentmagnete durch die Haltebleche fest mit der Tilgermasse verbunden werden.
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Die stromdurchflossenen Körper könnten am Auflager und die Permanentmagnete an der Tilgermasse festgelegt sein oder ein Teil der Tilgermasse sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann die Masse der Permanentmagnete als Tilgermasse genutzt werden, wobei die stromdurchflossenen Körper beziehungsweise Spulen am Auflager feststehen. Der aktive Schwingungstilger kann in spannungslosem beziehungsweise unbestromtem Zustand als passiver Schwingungstilger genutzt werden, da sich die Tilgermasse relativ zum Lenkrad bewegen kann und durch die Federeinrichtung in Nullposition verbracht wird. Insoweit ist der aktive Schwingungstilger im unbestromten Zustand ein konventioneller Ein-Masse-Schwinger, der als Schwingungstilger fungieren kann.
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Vor diesem Hintergrund könnte die Tilgermasse als Gasgenerator ausgestaltet sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann der aktive Schwingungstilger in einem Lenkrad mit einem Airbag genutzt werden. Der Gasgenerator des Airbags kann als Teil der Tilgermasse wirken.
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Die Federeinrichtung könnte stabförmige Elastomerkörper umfassen, deren untere Enden am Auflager und deren obere Enden an der Tilgermasse festgelegt sind. Durch das stabförmige Design der Elastomerkörper können die radiale und torsionale Eigenfrequenz des aktiven Schwingungstilgers unabhängig voneinander eingestellt werden. Hierdurch kann der aktive Schwingungstilger in rotatorischer und translatorischer Richtung gezielt auf gewünschte Eigenfrequenzen abgestimmt werden. Hierbei können bei aktiver Erregung des aktiven Schwingungstilgers in bestimmten Frequenzbereichen maximale Momente beziehungsweise Kräfte erzeugt werden. Des Weiteren kann der aktive Schwingungstilger axial sehr steif abgestimmt werden, wodurch der Axialspalt zwischen den Permanentmagneten und den stromdurchflossenen Körpern im Betrieb bestehen bleibt. Sollte die Axialsteifigkeit der Elastomerkörper zu gering sein, können zusätzlich axiale Gleitlager unterstützend eingesetzt werden. Dieser Fall kann auftreten, wenn die schwingende Tilgermasse relativ hoch ist.
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Es ist auch denkbar, statt stabförmiger Elastomerkörper eine Elastomermembran zu verwenden.
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Ein Lenkrad könnte einen Schwingungstilger der hier beschriebenen Art aufweisen. Zwar muss der hier beschriebene Schwingungstilger nicht zwingend in Lenkrädern montiert werden, sondern kann überall dort zum Einsatz kommen, wo unterschiedliche Anregungsrichtungen in einer Ebene getilgt werden müssen. Jedoch tritt dies aber vornehmlich bei Lenkrädern von Kraftfahrzeugen auf. Durch eine Ansteuerung des aktiven Schwingungstilgers mit einem Sinussignal kann eine oszillierende Erregung des Lenkrades erzeugt werden. Hierdurch wirkt der aktive Schwingungstilger als haptisches Warnelement zur Unterstützung von Fahrerassistenzfunktionen.
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Mit dem hier beschriebenen aktiven Schwingungstilger können aktiv Schwingungen getilgt werden, die im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Der Anregungsrichtung der Schwingungen kann immer exakt entgegengewirkt werden, da ein gerichteter Kraftvektor in eine beliebige in der genannten Ebene liegende Richtung geleitet werden kann. Neben einer translatorischen Auslenkung kann der aktive Schwingungstilger auch eine rotatorische Auslenkung erfahren. Eventuelle Rückstellkräfte beziehungsweise Rückstellmomente können direkt an einem Lenkrad abgestützt werden. Es werden keine zusätzlichen Federn oder ähnliche Mittel benötigt. Somit kann der aktive Schwingungstilger sehr flach und platzsparend realisiert werden.
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Trotzdem kann die schwingende Tilgermasse gegenüber dem Auflager laminar ausgelenkt werden, ohne eine Berührung der relativ zueinander beweglichen Bauteile des aktiven Schwingungstilgers zu erzeugen. Dies wird durch eine schicht- beziehungsweise scheibenförmige Konstruktion des aktiven Schwingungstilgers erreicht.
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In Systemen mit unterschiedlichsten Anregungsrichtungen kann ein einziger aktiver Schwingungstilger der hier beschriebenen Art eingesetzt werden.
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Zur Erfassung von Beschleunigungswerten kann eine entsprechende Sensorik auf einer Leiterplatte, bzw. einer Scheibe oder einem Blech, oder am Auflager, nämlich am Tilgerfußpunkt, angeordnet sein.
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Durch den hier beschriebenen aktiven Schwingungstilger können Einzelsysteme wie passive Lenkradtilger, aktive Schwingungstilger und Schwingerreger in einem Produkt zusammengefasst werden. Dieses Produkt kann eine haptische Warnfunktion erfüllen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung auf vorteilhafte Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.
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In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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Figurenliste
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In der Zeichnung zeigen
- 1 eine Schnittzeichnung eines aktiven Schwingungstilgers in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 in einer linken Ansicht eine Draufsicht auf die stromdurchflossenen Körper, welche auf einer Scheibe angeordnet sind, und in einer rechten Ansicht eine Schnittansicht der linken Ansicht, wobei dargestellt ist, dass sich die Scheibe in einem Axialspalt zwischen einander gegenüber liegenden Permanentmagneten befindet,
- 3 eine Draufsicht auf die Scheibe, auf welcher stromdurchflossene Körper in Form von Spulen angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete strichliert dargestellt sind, und
- 4 eine perspektivische Ansicht des aktiven Schwingungstilgers gemäß 1.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines aktiven Schwingungstilgers umfassend ein Auflager 1, eine Tilgermasse 2 und eine Antriebseinrichtung 3, wobei die Tilgermasse 2 durch eine Federeinrichtung 4 mit dem Auflager 1 verbunden ist, wobei die Tilgermasse 2 relativ zum Auflager 1 federnd bewegbar ist, wobei die Tilgermasse 2 durch die Antriebseinrichtung 3 derart geführt bewegbar ist, dass sie Bewegungen des Auflagers 1 entgegenwirkt, und wobei die Antriebseinrichtung 3 Permanentmagnete 5 umfasst, die mit stromdurchflossenen Körpern 6 wechselwirken.
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Die Antriebseinrichtung 3 lenkt die Tilgermasse 2 relativ zum Auflager 1 in beliebige in einer Ebene liegende Richtungen aus. Die Antriebseinrichtung 3 rotiert die Tilgermasse 2 relativ zum Auflager 1.
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Im Auflager 1 sind Durchgänge 7 ausgebildet, um das Auflager mit einem Lenkrad zu verbinden.
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Die stromdurchflossenen Körper 6 sind als Spulen ausgestaltet. Die stromdurchflossenen Körper 6 sind auf einer Scheibe 8 angeordnet. Die Scheibe 8 ist in einem Axialspalt 9 zwischen den Permanentmagneten 5 positioniert. Die stromdurchflossenen Körper 6 sind zwischen einander gegenüber liegenden Polen der Permanentmagnete 5 angeordnet.
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Dabei ist ein erster Satz von Permanentmagneten 5 an einem ersten Halteblech 10 und ein zweiter Satz von Permanentmagneten 5 an einem zweiten Halteblech 11 angeordnet.
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Die stromdurchflossenen Körper 6 sind über die Scheibe 8 am Auflager 1 festgelegt. Die Permanentmagnete 5 sind an der Tilgermasse 2 festgelegt und damit ein Teil der Tilgermasse 2. Das erste Halteblech 10 und das zweite Halteblech 11 sind über eine Bördelung 12 mit der Tilgermasse 2 verbunden. Konkret ist die Tilgermasse 2 als Gasgenerator ausgestattet.
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Die Federeinrichtung 4 umfasst stabförmige Elastomerkörper 13, deren untere Enden am Auflager 1 und deren obere Enden an der Tilgermasse 2 festgelegt sind. Konkret sind die stabförmigen Elastomerkörper 13 pilzförmig ausgestaltet. Das obere Ende ist im Wesentlichen kegelstumpfförmig oder kegelförmig ausgestaltet und mit dem ersten Halteblech 10 verclipst.
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2 zeigt in einer linken Ansicht eine Draufsicht auf die Scheibe 8, auf welcher stromdurchflossene Körper 6 angeordnet sind. Die stromdurchflossenen Körper 6 sind als Spulen ausgebildet, welche mit Permanentmagneten 5 wechselwirken. Sobald ein Strom durch die stromdurchflossenen Körper 6 fließt, wechselwirken die Elektronen mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete 5.
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Die Wechselwirkung resultiert in der Lorentzkraft, welche den stromdurchflossenen Körper 6 beziehungsweise den Permanentmagneten 5 mit Kraft beaufschlagt. Je nachdem, ob der Permanentmagnet 5 oder der stromdurchflossene Körper 6 festgehalten wird, bewegt sich der jeweils andere Wechselwirkungspartner relativ zum festgehaltenen Wechselwirkungspartner.
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In der rechten Ansicht in 2 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie B-B gezeigt. In dieser Ansicht ist dargestellt, dass die Scheibe 8 in einem Axialspalt 9 zwischen den Permanentmagneten 5 positioniert ist.
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3 zeigt in einer Draufsicht die Scheibe 8 und die stromdurchflossenen Körper 6, nämlich die Spulen in einer weiteren Ansicht. Die Permanentmagnete 5 sind strichliert dargestellt. Es ist dargestellt, dass die stromdurchflossenen Körper 6 sich in radialer Richtung strahlenförmig derart erstrecken, dass leitenden Abschnitte sich in radialer Richtung nach außen voneinander entfernen.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht des gesamten aktiven Schwingungstilgers.
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Durch den hier beschriebenen aktiven Schwingungstilger ist eine elektrodynamische Krafteinbringung am Grundkörper eines hier nicht gezeigten Lenkrades eines Kraftfahrzeuges ermöglicht. Es ist ein frequenzabhängiger Energieeintrag mit einer 90°-Phasenverschiebung gegenüber einer Störfrequenz möglich. Es ist in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall auch denkbar, eine andere Phasenverschiebung einzustellen.
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Durch den hier beschriebenen aktiven Schwingungstilger kann in Abhängigkeit von der Lenkradstellung ein gerichteter Kraftvektor in radialer Richtung zur Betilgung einer Schwingung gerichtet werden. Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass eine Elektronik zur Erfassung von Beschleunigungen im Bereich des Auflagers 1 integriert ist.
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In dem hier beschriebenen aktiven Schwingungstilger ist eine laminare Auslenkung der Tilgermasse 2 möglich, und zwar unabhängig von der Lenkradstellung. Des Weiteren ist eine rotatorische Auslenkung der Tilgermasse 2 möglich, um eine haptische Warnfunktion bereitzustellen. Eine Kraft kann im Resonanzbereich in translatorischer Richtung wirken. Es kann auch ein rotatorisches Moment wirken.
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Vorzugsweise werden auf der Scheibe 8 in 60°-Schritten beabstandet stromdurchflossene Körper 6 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass geringere Winkelabstände zwischen den stromdurchflossenen Körpern 6 gewählt werden. Bei einem Winkelabstand von 60° zwischen den jeweiligen stromdurchflossenen Körpern 6 ist eine Auslenkung der Tilgermasse 2 in beliebige Richtungen in der Ebene möglich.
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Die stromdurchflossenen Körper 6 werden derart bestromt, dass sich deren Wirkungen überlagern und sich eine gewünschte Auslenkungsrichtung einstellt.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
