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Die Erfindung betrifft eine aktive Dämpfungsvorrichtung zum Verringern einer Körperschwingung eines Bauteils. Die aktive Dämpfungsvorrichtung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, um Körperschwingungen eines Bauteils des Kraftfahrzeugs zu verringern. Eine andere Bezeichnung für eine solche aktive Dämpfungsvorrichtung ist auch Rüttler oder Shaker oder Soundaktor (Englisch: sound actuator).
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Für den Akustik-Komfort von Kraftfahrzeugen spielen die Lagerung und Arretierung der Türen und Klappen (zum Beispiel Heckklappe) eine zentrale Rolle. Diese begrenzen die Kavität des Fahrzeuginnenraums und beeinflussen die akustischen Eigenschaften. Der fortschreitende Leichtbau und der Kostendruck erhöhen die Komplexität und die Anforderungen an diese Bauteile. Ein Beispiel ist die Heckklappe, insbesondere bei Steilheck-Ausführungen oder Schrägheck-Ausführungen, deren Aufhängung (Scharniere) und Arretierung (Puffer und Schließbügel sowie Dichtung) zu akustischen Phänomenen führen können, die als unerwünschtes Dröhnen im Fahrzeuginnenraum wahrgenommen werden können. Bei einer Heckklappe wird in der Montage insbesondere auf die Schließkräfte geachtet, vor allem aber die optische Optimierung (Spaltmaße) durchgeführt. Akustische Zielvorgaben werden nur indirekt über die Pufferkräfte und den Vorbau eines entkoppelten Schließbügels justiert. Dies kann jedoch zu akustischen Problemen der beschriebenen Art führen.
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Aus der
DE 195 15 498 C1 ist ein aktiver Schwingungsminderer bekannt, der über einen Wellenleiter mit einem Bauteil des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Um den Schwingungsminderer ansteuern zu können, ist das Messsignal eines Schwingungssensors nötig, der hierzu an dem Bauteil angeordnet ist. Durch die Beabstandung des Schwingungssensors von dem Schwingungsminderer ergibt sich eine Zeitverzögerung, die beim Erzeugen des Steuersignals für den Schwingungsminderer kompensiert werden muss, um tatsächlich eine Schwingungsminderung durch Gegentaktsteuerung zu erhalten.
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Aus der
DE 11 2014 002 942 T5 ist eine Vibrationsdämpfungsvorrichtung bekannt, die ohne einen Schwingungssensor auskommt, indem sie nur die Eigenfrequenz eines Bauteils regelmäßig ändert.
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Aus der
DE 39 16 031 A1 ist ein Lautsprecher bekannt, der zusätzlich zu seiner Schwingspule noch eine weitere elektrische Spule aufweist, über welche die Bewegung der Lautsprechermembran erfasst wird. Hierdurch kann der Lautsprecher zugleich als Mikrofon genutzt werden, um einen Gegenschall zum Dämpfen eines akustischen Schalls erzeugen zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Körperschwingung eines Bauteils zu dämpfen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figur beschrieben.
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Die Erfindung sieht eine aktive Dämpfungsvorrichtung zum Verringern einer Körperschwingung eines Bauteils vor. Mit „aktiv“ ist gemeint, dass die Dämpfungsvorrichtung für das Verringern der Körperschwingung mit Energie versorgt werden muss. Die Dämpfungsvorrichtung kann z.B. einen elektromechanischen Wandler aufweisen. Es wird dann also Beispiel elektrische Energie in mechanische Energie gewandelt.
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Die Dämpfungsvorrichtung sieht ein Koppelelement vor, zum Beispiel einen Stab, mittels welchem die Dämpfungsvorrichtung mechanisch mit dem Bauteil gekoppelt werden kann.
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Die Dämpfungsvorrichtung nutz eine Magnetkraft, um das Koppelelement und damit das schwingende Bauteil mit einer Kraft und/oder Bewegung zu beaufschlagen. Dies macht es nötig, ein Magnetfeld zu erzeugen. Hierzu ist eine Felderzeugungseinrichtung vorgesehen, bei der sich zum Beispiel um einen Permanentmagneten handeln kann. Es kann als Felderzeugungseinrichtung auch ein Elektromagnet vorgesehen sein, durch welchen in vorteilhafter Weise ein stärkeres oder einstellbares Magnetfeld bereitgestellt werden kann. Andersherum kann für die Erzeugung eines Magnetfelds vorgegebener Feldstärke bei Nutzung eines Elektromagneten im Vergleich zu einem Permanentmagneten Gewicht eingespart werden.
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In dem Magnetfeld ist eine elektrische Spule angeordnet, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem durch die Spule fließenden Spulenstrom das Koppelelement mit der Kraft und/oder Bewegung zu beaufschlagen. Beispielsweise kann also die elektrische Spule als Schwingspule in dem Magnetfeld angeordnet sein. Der bisher beschriebene Aufbau entspricht damit demjenigen des eingangs beschriebenen Rüttlers oder Shakers oder Soundaktors. Eine Steuereinrichtung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem die Körperschwingung des Bauteils beschreibenden Messsignal den Spulenstrom einzustellen. Hierdurch wird also die Bewegung oder Kraft der elektrischen Spule eingestellt, die auf das Koppelelement und damit auf das Bauteil wirkt.
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Die Erfindung betrifft nun den Aspekt, wie man das besagte Messsignal zum Einstellen des Spulenstroms erfasst oder erzeugt. Hierzu weist das besagte Magnetfeld einen Inhomogenitätsbereich auf. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Magnet-Feldstärke und/oder die Ausrichtung der MagnetFeldlinien innerhalb des in Homogenitätsbereichs an unterschiedlichen Orten oder Raumpunkten. Das Magnetfeld ist also örtlich inhomogen.
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In diesem in Homogenitätsbereich ist nun eine mit dem Koppelelement (also zum Beispiel dem Stab) gekoppelte elektrische Messspule angeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine in der Messspule induzierte elektrische Induktionsspannung auszugeben. Diese ausgegebene Induktionsspannung stellt das Messsignal dar. Durch Anordnen der Messspule in dem Inhomogenitätsbereich wird erreicht, dass eine Bewegung der Messspule und damit eine Bewegung des mit der Messspule verbundenen Koppelelements eine Induktionsspannung verursacht, die als das Messsignal genutzt werden kann. Bewegt sich also das Koppelelement, so ist dies durch das Messsignal signalisiert. Daraufhin kann die Steuereinrichtung den Spulenstrom in der elektrischen Spule einstellen, um hierdurch eine Kraft und/oder Bewegung auf das Koppelelement aufzuschlagen oder dort zu erzeugen.
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Durch die Erfindung ergibt sich also der Vorteil, dass unmittelbar an dem Koppelelement erkannt wird, ob sich dieses bewegt. Damit steht für die Steuereinrichtung ein Messsignal bereit, dass direkt anzeigt, ob das mit dem Koppelelement gekoppelte oder verbundene Bauteil schwingt oder sich bewegt. Daraufhin kann die Steuereinrichtung durch Einstellen des Spulenstroms ebenfalls direkt an dem Koppelelement festlegen oder einstellen, in welchem Maß diese Schwingung oder Bewegung des Koppelelements verringert oder abgebremst oder gedämpft wird. Es ergibt sich also keine signifikante Verfälschung durch eine Übertragungsfunktion oder Zeitverzögerung, die zwischen Sensor (Messspule) und Aktor (elektrische Spule) wirksam sein könnte. Unter Körperschwingung ist in Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere eine periodische Bewegung mit einer Frequenz größer als 5 Hz, insbesondere größer als 10 Hz zu verstehen. Eine Amplitude der Körperschwingung kann in einem Bereich von 100 µm bis 30 cm liegen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Zum Dämpfen der Körperschwingung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, mittels einer Regelung und dem Spulenstrom als Stellgröße die durch das Messsignal beschriebene Körperschwingung auf Null einzuregeln. Beispielsweise kann hierzu ein PID-Regler genutzt sein. Durch Einregeln der Körperschwingung auf Null wird also das Bauteil ruhig gehalten in Bezug auf ein Trägerteil, an welcher die Dämpfungsvorrichtung befestigt sein kann.
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Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass eine Zeitkonstante der Regelung einstellbar ausgestaltet ist. Mit anderen Worten kann ein Zeitverhalten oder eine Dynamik der Regelung an eine entsprechende Dynamik oder an eine Eigenfrequenz des Bauteils angepasst werden. Um Frequenzselektivität zu erhalten, kann auch das Messsignal mittels eines Filters, beispielsweise eines Bandpassfilters, gefiltert werden. Hierdurch kann die Dämpfungsvorrichtung für das Dämpfern des vorgegebenen Bauteils konfiguriert werden. Andersherum lässt sich die Dämpfungsvorrichtung universell nutzen, indem sie mittels der einstellbaren Zeitkonstante nachträglich angepasst werden kann.
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Eine weitere Frage betrifft die Auswahl, ob das Koppelelement entweder mit der Felderzeugungseinrichtung, also beispielsweise einem Permanentmagneten, gekoppelt sein soll oder mit der elektrischen Spule. Bevorzugt ist das Koppelelement mit der elektrischen Spule gekoppelt, d.h. die elektrische Spule ist als Schwingspule in dem Magnetfeld angeordnet. Mit anderen Worte ist das Koppelelement relativbeweglich zu der Felderzeugungseinrichtung in der Dämpfungsvorrichtung gelagert oder gehalten. Hierdurch ist die zu bewegende Masse geringer für den Fall, dass die Felderzeugungseinrichtung starr mit dem Koppelelement gekoppelt ist.
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Die Dämpfungseinrichtung kann zum Dämpfen einer Körperschwingung in einem beliebigen Bauteil genutzt werden. Beispielsweise kann in einem Schiff eine schwingende Kabinenwand gedämpft werden. In einem Gebäude kann eine schwingende Raumwand gedämpft werden. An einer Brücke kann ein schwingender Träger gedämpft werden.
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Wie eingangs beschrieben, ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug aufgrund einer Anregung durch Unebenheiten der Fahrbahn und/oder durch den Antriebsstrang die Neigung eines Bauteils zu Schwingungen vorhanden. Entsprechend ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Dämpfungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen. Die Erfindung sieht entsprechend ein Kraftfahrzeug mit einem Bauteil und einem Trägerteil vor. An dem Trägerteil ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen aktiven Dämpfungsvorrichtung angeordnet oder befestigt. Ein Koppelelement der Dämpfungsvorrichtung ist mit dem Bauteil gekoppelt. Hierdurch kann eine Relativbewegung, die durch das Bauteils in Bezug auf das Trägerteil in Form einer Körperschwingung ausgeführt wird, gedämpft oder reduziert werden.
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Insbesondere kann das Bauteil eine Fahrzeugtür oder eine Fahrzeugklappe sein. Durch die einseitige Aufhängung einer solchen Fahrzeugtür oder Fahrzeugklappe an Scharniere neigt ein solches Bauteil zu Körperschwingungen. Das Bauteil kann aber auch ein Blech sein, dass selbst bei einer vollumfänglichen Aufhängung eine Körperschwingung in sich wie eine Membran ausbilden kann.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung, wie sie z.B. in dem Kraftfahrzeug von 1 bereitgestellt sein kann.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einem Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Dargestellt ist beispielhaft eine Heckklappe 11, mittels welcher ein Innenraum 12 des Kraftfahrzeugs 10 zu einer Umgebung 13 hin abgegrenzt oder abgeschlossen sein kann.
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Zur Veranschaulichung ist eine Aufschwenkrichtung 14 zum Aufschwenken der Klappe 11 dargestellt. Entsprechend ist ein Scharnier oder sind mehrere Scharniere für die Heckklappe 11 zum Verschwenken entlang der Aufschwenkrichtung vorgesehen.
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In 1 ist noch ein Boden 15 dargestellt, der als Trägerteil für eine aktive Dämpfungsvorrichtung 16 vorgesehen sein kann. Die Heckklappe 11 ist somit relativ zu dem Trägerteil 15 bewegbar angeordnet.
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An dem Trägerteil 15 kann die Dämpfungsvorrichtung 16 bezüglich des Kraftfahrzeugs 10 festgehalten oder fixiert sein. Zu der Dämpfungsvorrichtung 16 kann auch eine Steuervorrichtung 17 gehören, die z.B. auf der Grundlage eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors gebildet sein kann. Die Dämpfungsvorrichtung 16 weist des Weiteren ein Koppelelement 18 auf, das mit der Heckklappe 11 verbunden sein kann.
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Durch Vibrationen oder eine periodische Anregung, wie sie während des Fahrbetriebs beispielsweise durch den Antriebsstrang und/oder den Fahruntergrund in dem Kraftfahrzeug 10 verursacht sein kann, kann die Heckklappe 11 zu einer Körperschwingung 19 angeregt werden. Hierdurch kann beispielhaft die Heckklappe 11 als Membran wirken und einen Störschall oder ein Störgeräusch 20 in den Innenraum 12 abstrahlen. Die Heckklappe 11 repräsentiert somit allgemein ein Bauteil, dessen Körperschwingung 19 mittels der Dämpfungsvorrichtung 16 gedämpft werden kann.
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Um die Körperschwingung 19 zu dämpfen, kann die Dämpfungsvorrichtung 16 über das Koppelelement 18 eine der Körperschwingung 19 entgegen gerichtete Kraft oder eine Abbremskraft ausüben.
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Im Folgenden ist die Funktionsweise der Dämpfungsvorrichtung mit Bezug sowohl auf 1 also auch 2 veranschaulicht. Von der Dämpfungsvorrichtung 16 sind hierzu ein Gehäuse 21 und eine in dem Gehäuse 21 angeordnete Felderzeugungseinrichtung 22 dargestellt. Das Koppelelement 18 kann mit einer Schwingspule 23 fest verbunden sein. Die Schwingspule 23 kann sich in einem Magnetfeld 24 der Felderzeugungseinrichtung 22 befindet. Die Schwingspule 23 repräsentiert allgemein eine elektrische Spule im Sinne der Erfindung. Das Koppelelement 18 und die Schwingspule 23 sind relativ zu der Felderzeugungseinrichtung 22 beweglich gelagert, z.B. für eine translatorische Bewegung.
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Durch die Steuereinrichtung 17 kann die Körperschwingung 19 erfasst werden und durch Erzeugen eines weiteren Magnetfelds mittels der Schwingspule 23 eine Gegenkraft oder Gegenschwingung oder eine Abbremskraft über das Koppelelement 18 in der Heckklappe 11 erzeugt werden, indem das Magnetfeld der Schwingspule 23 mit dem Magnetfeld 24 der Felderzeugungseinrichtung 22 wechselwirkt.
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2 veranschaulicht des Weiteren, wie zusätzlich zur Schwingspule 23 auch eine Messspule 25 mit dem Koppelelement 18 verbunden oder gekoppelt sein kann, sodass sowohl die Schwingspule 23 als auch die Messspule 25 von dem Magnetfeld 24 durchdrungen sind.
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Zumindest im Bereich der Messspule 25 weist das Magnetfeld 24 dabei einen Inhomogenitätsbereichs 26 auf, sodass durch eine Eigenbewegung der Messspule 25 bezüglich der Felderzeugungseinrichtung 22 eine elektrische Induktionsspannung in der Messspule 25 induziert wird, die als Messsignal 27 von der Steuereinrichtung 17 erfasst werden kann. Ein zeitlicher Verlauf des Messsignal 27 entspricht dem zeitlichen Verlauf der Körperschwingung 19.
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In Abhängigkeit von dem Messsignal 27 kann die Steuereinrichtung 17 den Spulenstrom 28 in der Schwingspule 23 einstellen oder erzeugen. Eine Energiequelle für den Spulenstrom 28 kann durch ein elektrisches Bordnez des Kraftfahrzeugs 10 bereitgestellt sein, also z.B. durch einen elektrischen Generator.
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Durch Bereitstellen zweier Spulen 23, 25 können für die Messung mittels der Messspule 25 einerseits und für das Bewegen des Koppelelements 18 mittels der Schwingspule 23 unterschiedliche Induktivitäten Ls und LA bereitgestellt werden. Damit ist eine Anpassung der jeweiligen Spule 23, 25 an deren Aufgabe unabhängig von der jeweils anderen Spule 23, 25 möglich.
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Die Steuereinrichtung 10 kann den Spulenstrom 28 in Abhängigkeit von dem Messsignal 27 beispielsweise mittels eines Reglers oder einer Regelung 29 einstellen, welche mittels des Spulenstroms 28 als Stellgröße das Messsignal 27 auf einen Sollwert 30 einregeln kann, der beispielsweise 0 betragen kann. Dies bedeutet, dass die Relativbewegung des Koppelelements 18 bezüglich dem Trägerteil 15 auf den Sollwert 30 eingeregelt wird, also beispielsweise auf Null. Indem das Koppelelement 18 mit der Heckklappe 11 gekoppelt ist, wird hierdurch auch die Körperschwingung 19 auf den Sollwert 30 eingeregelt, also beispielsweise auf Null. Damit wird also die Körperschwingung 19 der Heckklappe 11 gedämpft oder reduziert.
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Die Dämpfungsvorrichtung 16 stellt somit einen aktiven Tilger dar, der eine Schwingungskompensation auf der Grundlage eines elektromechanischen Wandlers in Form der Schwingspule 23 in dem Magnetfeld 24 durchführt. Eine andere Bezeichnung hierfür ist auch die aktive Vibrationskontrolle (Active Vibration Control).
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Bei der Dämpfungsvorrichtung 16 sind dabei der Aktuator (oder kurz Aktor) in Form der Schwingspule 23 mit dem Koppelelement 18 und der Sensor zum Detektieren der Körperschwingung 19 in Form der Messspule 25 als integrierte Lösung oder integrierte Anordnung bereitgestellt, die Sensor und Aktor in sich vereint. Als technische Basis oder Ausgangsvorrichtung kann ein Soundaktor genutzt werden. Dieser Soundaktor kann dann derart modifiziert werden, dass mindestens zwei Schwingspulen vorgesehen sind, nämlich die elektrische Spule 23 für die Bewegungserzeugung und/oder Krafterzeugung einerseits und die Messspule 25 andererseits. Eine der Schwingspulen wird also als Sensor und die andere als Aktor benutzt. Somit können zwei Aufgaben, nämlich die Detektion und die Kompensation, in einem einzigen Bauteil vereint sein. Die Ansteuerung erfolgt über eine entsprechende Elektronik der Steuereinrichtung 17.
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Somit kann eine Reduktion einer akustischen Störung, zum Beispiel ein Dröhnen, erreicht werden. Die Anpassung an das dynamische Verhalten ist einfach möglich, indem z.B. eine Zeitkonstante 31 oder ein Filter der Steuereinrichtung 17 und insbesondere der Regelung 29 parametrierbar ausgestaltet wird. Durch die Integration ergibt sich auch ein geringerer Bauraumbedarf und ein geringeres Gewicht im Vergleich zu einem mechanischen (passiven) Tilger. Auch ergibt sich eine Kostenersparnis gegenüber mechanischer Lösungen, die beispielsweise eine Vibrationsentkopplung eines Schließbügel der Heckklappe vorsehen müssten.
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Die Dämpfungsvorrichtung 16 ist universell einsetzbar, also für unterschiedliche Karosserieformen und/oder Modelle. Bei der Konstruktion einer Dämpfungsvorrichtung 16 kann durch deren Masse und/oder Elastizität oder Nachgiebigkeit und/oder das Einstellen der Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz der Dämpfungsvorrichtung 16 diese an Bauteil 11 adaptiert oder angepasst werden. Durch das Stellen des Spulenstroms erfolgt die Schwingungsreduktion angepasst oder flexibel oder dynamisch. Die Regelung 29 kann hierbei an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sein. Es kann eine aktive Regelung, eine PID-Regelung, eine Zustandsregelung, eine Zustandsregelung mit Beobachter (zum Beispiel für die indirekte Schätzung von Strom und/oder Spannung) genutzt werden. Durch die Regelung 29 ist es nicht nötig, eine manuelle Anpassung an das Zielsystem vorzunehmen. Hierdurch kann das Kraftfahrzeug 10 mit der Heckklappe 11 auch in einem Serienprozess hergestellt werden, ohne dass vorgegebene Höchsttoleranzen bei der Schwingungsdämpfung überschritten werden.
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Grundlage ist somit z.B. ein Soundaktor oder allgemein ein Körperschallerreger mit mindestens zwei getrennten Schwingspulen, von denen eine als Sensor und eine als Aktor betrieben wird. Eine Steuereinrichtung 17 zum Beispiel in Form eines Steuergeräts oder einer integrierten Steuerelektronik bereitet das Sensorsignal, also das Messsignal 27, auf oder empfängt es und steuert den Aktor in Form der Spule 23 an. Durch die Anordnung an demselben Koppelelement 18 ist eine Kompensation einer Übertragungsfunktion oder eines Übertragungsverhaltens einfach oder sogar nicht nötig.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein aktiver Schwingungsdämpfers mit integrierter Sensorik bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19515498 C1 [0003]
- DE 112014002942 T5 [0004]
- DE 3916031 A1 [0005]
