DE10223216A1 - Vorrichtung zur Stoßdämpfung mittels Piezoaktoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass eine Verbindung zwischen einem Piezostack/Aktor und einem beweglichen Objekt in einem Dämpfungsmechanismus derart ausgebildet ist, dass sich ein Querschnitt des Objekts durch elektrische Ansteuerung des Piezostacks ausdehnt oder die Öffnungsweite von Durchlassöffnungen im Objekt variiert wird und somit die Weite eines Durchlassraums für das im Dämpfungsgehäuse enthaltende Fluid bestimmt wird. DOLLAR A Somit ergeben sich die Vorteile, dass auf Grund der prinzipiell einfachen Einrichtung der Erfindung mehrere Ausführungsformen denkbar sind, aber grundsätzlich anhand einer besonders einfachen Vorrichtung eine erheblich verbesserte Reaktionszeit und Variierbarkeit der Dämpfungseigenschaften gewährleistet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft einen für variierende Stöße adaptiven Dämpfungsmechanismus.
• In vielen Bereich der Technik werden Dämpfungsmechanismen dort eingesetzt, wo variierende Druckausübungen auf einen Gegenstand die Integrität des Materials des Gegenstandes schwer belasten. Dabei seien Räder an einem Kraft- oder Luftfahrzeug, ein Sitz oder eine Sitzschale in einem Kraft- oder Luftfahrzeug oder weitere Gegenstände, welche ruckartigen Beschleunigungen ausgesetzt werden, wie z. B. Geschützröhren, genannt.
• Der Schutz eines empfindlichen Ladeguts kann mit einem Dämpfungsmechanismus grundsätzlich dadurch gewährleistet werden, dass der Dämpfungsmechanismus die Kraft absorbiert, die sonst das Ladegut belasten würden.
• Ein Stoßdämpfer besteht meist aus einem Zylindergehäuse, der mit einem Fluid, z. B. mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas, welches von einem Kolben in Bewegung bzw. unter Druck gesetzt wird, gefüllt ist. Der Kolben bewegt sich derart längs zur Hauptachse des Zylinders auf und ab, dass die im Zylindergehäuse enthaltene Flüssigkeit durch einen einstellbaren Durchlassraum, wie z. B. der Raum zwischen der Innenwand des Zylindergehäuses und dem äußeren, umfassenden Rand des Kolbens, strömen kann.
• Die Dämpfungseigenschaften können zunächst mit einer Regulierung der Viskosität des Fluids oder der Weite eines Durchlassraums geändert werden. Eine Kombination dieser Methoden ist durchaus ausführbar. Es kann somit bestimmt werden, in welcher Zeit der Dämpfer um welchen Weg im Zylinder nachgibt.
• Adaptive Dämpfungseigenschaften sind dabei eine äußerst wichtige Erweiterung des oben genannten Prinzips. Die Dämpfung bei einer sportlichen Ausnützung eines Kraftfahrzeuges müsste beispielsweise in der Regel härter abgestimmt sein als die weichere Dämpfung im Falle einer normalen Ausnützung eines Fahrzeuges.
• Es besteht das Bedürfnis, die Dämpfungseigenschaften eines Dämpfers auch im Laufe des Betriebs eines Objektes zu ändern und für ein zu schützendes Teil optimal einzustellen. Da bei hohen Geschwindigkeiten eine erhöhte Dichte von Kräften in verschiedenen Richtungen zu erwarten ist, wird die Verwendung von elektronisch kontrollierbaren Dämpfern herangezogen, da hier die Reaktionszeit deutlich schneller ist als bei rein hydraulischen Dämpfungsregulierungen.
• Das Profil einer zu überfahrenden Straße kann beispielsweise über Sensoren erfasst werden, wobei diese Information zunächst zur Steuerung der Dämpfung des Fahrzeuges verwendet wird. Hierbei sollte der Dämpfer in der Lage sein, innerhalb von kürzester Zeit (z. B. im Bereich vom einiger ms bis herunter zu einigen 10 µs) die Dämpfung ändern zu können.
• Die Variation des Ausmaßes des Durchlassraumes für ein Fluid in einem Dämpfungsgehäuse wird zur Zeit durch zwei übliche Systeme ermöglicht.
• Ein erstes Verfahren besteht aus der Variation des Durchlassraumes für das Dämpfungsfluid mit Hilfe einer elektromagnetischen Dämpferverstellung, einer Art "Magnetventil", das sich zum Vergrößern des Durchströmungsquerschnitts verschieden weit öffnet.
• Bei diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung ist nachteilig, dass für manche Dämpfungsaufgaben eine zu lange Ansprech- und Reaktionszeit, welche ferner durch die Magnetisierung der Spule eingeschränkt ist, gefordert ist.
• Eine weitere, zweite Methode besteht darin, dass die Änderung der Viskosität des Dämpferfluids im Gegensatz zu üblichen Hydraulikflüssigkeiten wie Öl, mit sogenannten elektro- bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten realisiert wird. Im Falle einer magnetorheologischen Flüssigkeit wird die Viskositätsänderung durch die Eigenschaften von suspendierten, feinen Magnetpartikeln, welche einem magnetischen- oder elektrischen Feld ausgesetzt werden, erreicht. Dabei wird das Feld am Durchlassraum des Kolbens derart geleitet, dass sich Dipole entlang der Feldlinien ausbilden und zu einer Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit um etwa eine Größenordnung führen. Dieser Vorgang ist reversibel, wobei die Reaktionszeiten im Bereichen von Millisekunden liegen dürften. So kann der Durchfluss des Fluids durch den Durchlassraum im Bereich einer Größenordnung kontrolliert werden.
• Nachteilig bei diesem Verfahren ist insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Fluidviskosität, der hohe Preis des Fluids, die Abrasion der Drösselöffnung durch die Partikel und die Gefahr des Absetzens der Partikel bei längerem Stillstand.
• Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stoßdämpfungsmechanismus anzugeben, bei dem eine äußerst schnelle Reaktionszeit und optimale Dämpfung bei unterschiedlichen Stößen erreicht wird.
• Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass eine Verbindung zwischen einem Piezostack/Aktor und einem beweglichen Objekt in einem Dämpfungsmechanismus derart ausgebildet ist, dass sich ein Querschnitt des Objekts durch elektrische Ansteuerung des Piezostacks ausdehnt oder die Öffnungsweite von Durchlassöffnungen im Objekt variiert wird und somit die Weite eines Durchlassraums für das im Dämpfungsgehäuse enthaltene Fluid bestimmt wird.
• Somit ergeben sich die Vorteile, dass auf Grund der prinzipiell einfachen Einrichtung der Erfindung mehrere Ausführungsformen denkbar sind, aber grundsätzlich anhand einer besonders einfachen Vorrichtung eine erheblich verbesserte Reaktionszeit und Variierbarkeit der Dämpfungseigenschaften gewährleistet wird.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kontrolle eines Flüssigkeitsstromes in einem Dämpfungsmechanismus, wird der Durchlass eines Fluids zwischen einem Kolben und der Innenseite des Dämpfungsgehäuses dadurch reguliert, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einem Piezoaktor das Ausmaß des Querschnitts des Kolbens oder die Ausdehnung eines Teils des Objekts bestimmt wird.
• Der Piezoaktor ist dabei in direkter, mechanischer Verbindung mit dem Kolben.
• Der Piezoaktor kann in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung im Raume eines Kolbens untergebracht sein, in dem eine Querschnittsregelung erfolgt.
• Alternativ kann der Piezoaktor außerhalb des Raumes einer Querschnittsregelung liegen, wie z. B. im Kolbenschaft.
• Es wird grundsätzlich bevorzugt, dass das der Flüssigkeit in der Quere liegende Objekt, z. B. eine Erweiterung eines Kolbens, ein Hohldoppelkegel ist. Dabei ist der maximale Querschnitt des Hohldoppelkegels zwischen der oberen und der unteren Hälfte des Hohldoppelkegels.
• Das der Flüssigkeit in der Quere stehende Objekt kann alternativ auch zylinderförmig sein, wobei das Objekt mindestens eine variierbare Durchlassöffnung aufweist.
• Beim Verfahren zur Steuerung einer Durchlassöffnung für eine Flüssigkeit oder ein Gas in einem Gehäuse mittels eines beweglichen Objekts, wird über eine elektrische Aktivierung ein Piezostack zur Ausdehnung gebracht wird. Der Piezostack steht derart mit dem Objekt in Verbindung, dass die Durchlassöffnungen für die Flüssigkeit variiert werden können.
• Dabei kann der Querschnitt des Objekts oder eine oder mehrere Öffnungsweiten von Durchlassöffnungen im Objekt selbst variiert werden.
• In einer äußerst wichtigen Erweiterung der Erfindung wird der Piezostack unter einer Vorspannung gehalten und somit von äußeren Stößen und schädlichen Zugspannungen geschützt. Die Vorspannung kann dadurch erreicht werden, dass das Piezostack in einem vorgespannten Hohldoppelkegel oder einer vorgespannten Rohrfeder untergebracht ist.
• Die Erfindung und weitere Vorteile werden in den Zeichnungen und in den dargestellten Ausführungs- und Anordnungsbeispielen näher erläutert.
• Dabei zeigt
• Fig. 1 eine prinzipielle Ausführungsform eines adaptiven Dämpfers, bei der der Querschnitt eines Doppelkegelkolbens variierbar ist, und
• Fig. 2 einen Stoßdämpfer nach Fig. 1 mit eingebautem Piezostack und elektrischer Verbindung, und
• Fig. 3 einen Stoßdämpfer nach Fig. 2, bei dem der Piezoaktor im Kolbenschaft untergebracht ist und der Querschnitt des Doppelkegelkolbens mittels eines Kreiskegels variierbar ist wobei die maximale Ausdehnung des Querschnitts durch minimale Spannung erreicht wird, und
• Fig. 4 einen Stoßdämpfer nach Fig. 3, bei dem die maximale Ausdehnung des Querschnitts durch maximale Spannung erreicht wird, und
• Fig. 5 einen Stoßdämpfer nach Fig. 4 mit einem zylinderförmigen Kolben mit zwei durch Piezoaktoren kontrollierbaren Durchlassöffnungen, und
• Fig. 6 eine Vorrichtung für die Durchlassregulierung nach Fig. 5.
• In Fig. 1 wird eine grundsätzliche Ausführungsform eines Stoßdämpfers gezeigt. Dabei wird die Wandstärke des Kolbengehäuses mit A angegeben, der Kolben selbst mit B, das Öl im Gehäuse mit C und ein Doppelkegelkolben bzw. die Variation seines Querschnitts mit D. Die Bewegungsrichtung des Kolbens wird mit den Pfeilen E gezeigt.
• In Fig. 2 ist ein adaptiver Dämpfer nach einem Prinzip der Querschnittsvariation einer Durchströmungsöffnung angegeben, bei der diese Variation jedoch nicht mit einem elektromagnetischen Ventil erreicht wird, sondern mittels Verformung des besonders für diesen Zweck geeigneten Piezostacks. Der Piezostack besteht dabei aus mehreren piezo-keramischen Schichten. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung am Piezostack bzw. an einer piezo-keramischen Schicht, dehnt sich die Höhe einer piezo-keramischen Schicht aus. Diese Ausdehnung verbreitet sich durch die übrigen Schichten und führt somit zu einer Ausdehnung des gesamten Piezostacks. Mittels einer Verbindung zwischen dem Piezostack und einem Querschnittsregler ist eine Veränderung der Durchströmungsöffnung möglich.
• Der Kolben 2 wird dabei als Hohldoppelkegel 1, also zwei aufeinandergesetzten Kegeln 3 und 3', deren Mantellinien an den jeweiligen Grundflächen der Einzelkegel miteinander verbunden sind, ausgeführt und erweitert. Die Kegel 3 und 3' können dabei miteinander an den Stellen 4 oder 8 zusammengeschweißt sein. Im Doppelkegel 1 ist ein Piezostack 5 in der Doppelkegel-Achse so eingebaut, dass seine Endpunkte mit den Kegelspitzen 6 und 6' in Richtung der Längsachse des Gehäuses verbunden sind. Verlängert sich der Piezostack 5 durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. Stroms durch die Zuleitungen 7, so bewegen sich die Kegelspitzen 6 auf der Doppelachse derart voneinander weg, dass sich der größte Durchmesser des Doppelkegels, der die Dichtfläche des Dämpferkolbens darstellt, verkleinert und mehr Fluid am Kolben 2 vorbeiströmen kann 9, so dass die Dämpfung weniger wird.
• Dabei ist anzumerken, dass der Piezostack bei elektrischer Aktivierung sich grundsätzlich nur in eine Richtung ausdehnt. Zugspannungen, welche beispielsweise während der Fahrt eines Fahrzeuges, besonders über unebenes Gelände, erzeugt werden, können eine schädliche Auswirkung auf den Piezostack haben. Um den Piezostack von solchen schädlichen Stößen zu schützen wird bevorzugt, dass der Piezostack in einer Rohrfeder (nicht gezeigt) eingebaut ist, und von dieser Feder unter permanenter Druckspannung gehalten wird. Im Falle, dass der Doppelkegel 6 durch Zusammenschweißen vorgespannt ist, kann alternativ die Funktion der Rohrfeder zum Schutz des Piezoaktors umgangen werden und die Schutzfunktion vom Doppelkegel übernommen werden.
• Um die Elastizität des Doppelkegelkolbens 1 möglichst zu erhöhen, wird die Wandstärke des Kegels möglichst dünn ausgestaltet. Durch diese Maßnahme wird eine maximale Ausdehnung des Kolbenquerschnitts, welche sich auch nach dem Durchmesser des Kolbengehäuses richtet, ermöglicht. Um allerdings die durch diese Maßnahme verlorene Stabilität zu kompensieren, wird vorteilhafterweise die Kegelfläche zwischen Spitze 6' und Dichtfläche, d. h. Position der größten Querschnittsvariation 4 oder 8, durch eingeprägte Rippen oder Sicken, ausgeschweißte Stäbe oder sonstige Materialverstärkungen, wie z. B. bei den Stäben eines Regenschirms, auf eine oder beiden Seiten des Doppelkegels 6 verstärkt. Das Material des Doppelkegels kann je nach Steifigkeit, Kosten, Stärke und/oder Gewicht ausgewählt werden. Dabei könnte der Doppelkegel beispielsweise aus Metall oder aus einem fasergestärktem Kunststoff bestehen.
• Der Umfang des maximalen Querschnitts des Doppelkegels 6 wird vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, da sich besonders ein kreisförmiger Querschnitt des Doppelkegels 6 optimal ändern lässt, was bei anderen Geometrien nicht der Fall wäre.
• Die Wahl des Verhältnisses zwischen der Höhe des Doppelkegelkolbens und seinem Durchmesser legt das Verhältnis der Dämpfung bei spannungslosem Piezostack/Aktor zur Dämpfung bei angesteuertem Piezostack/Aktor fest. Das Variationsverhältnis kann auch durch die Wahl des absoluten Durchmessers des Kolbengehäuses und die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Zylinders und dem Außendurchmesser des Kolbens gesteuert werden.
• In Fig. 3 ist eine Vorrichtung gezeigt, die das Prinzip nach Fig. 2 verwendet, bei der aber der Piezostack 5a außerhalb des Hohldoppelkegels 6a, vorzugsweise im Gehäuse des Stoßdämpfers 2a, untergebracht ist.
• In diesem Ausführungsbeispiel wird die maximale Ausdehnung des Doppelkegelquerschnitts durch den Piezoaktor 5a über einen mit dem Piezostack verbundenen Stab 5a' in einer Ruhelage, d. h. ohne elektrische Aktivierung, erreicht. Somit ist eine maximale Dämpfung erreicht.
• In Fig. 4a ist im umgekehrten Sinne von Fig. 3 die maximale Dämpfung durch Auslenkung des Piezostacks 5b und die minimale Dämpfung durch die Ruhelage des Piezostacks erreicht. Die Ruhelage, d. h. bei fehlender elektrischer Aktivierung, des Piezostacks ist so zu sehen, dass die untere Spitze des Doppelkegels 13 vom Piezostack weggezogen ist bzw. vom Piezostack weggeschoben ist. Eine geringerer Querschnitt des Doppelkegelkolbens wird somit gewährleistet. Bei Auslenkung des Piezostacks durch elektrische Aktivierung über die Zuleitungen 7 wird der Piezostack mittels dahinterliegenden Streifen 11a und 11b aus Fig. 4b in die Richtung des Kolbenschafts 2 hochgezogen. Die Einleitung der Kraft des Piezostacks kann über einen Kreiskegel 12 erfolgen. Eine Ausdehnung des Doppelkegelquerschnitts, wodurch eine erhöhte Dämpfung erreicht wird, ist somit möglich.
• In Fig. 5 wird anstelle eines Doppelkegels ein kreisförmiger Zylinder verwendet, bei dem das äußerste Ausmaß d bis hin zur Innenwand des Dämpfungsgehäuses reicht, der Zylinder aber senkrecht zur Kolbenachse Durchlassöffnungen 1a und 1b aufweist, die von einem Schiebergestell 2a und somit von Schiebern 2b, welche von Piezoaktoren steuerbar sind, auf- und zugeschlossen werden. Die Zuleitung zum Piezoaktor erfolgt dabei über die Verbindung 3, die beispielsweise im Kolben 4 untergebracht werden können.
• In Fig. 6 ist der Schiebungsmechanismus, welcher in der Ausführungsform nach Fig. 5 verwendet wird, dargestellt. Der Piezoaktor 1 liegt dabei senkrecht zur Kolbenachse, bewirkt durch seine elektrischen Aktivierung und anschließende Ausdehnung eine Verschiebung des Schiebergestells 3 die mittels den Schiebern 2 den Querschnitt der Durchlassöffnungen nach Fig. 5 variieren. Das Schiebergestell ist dabei vorzugsweise parallelogramm- oder rhombusförmig ausgebildet, wobei bewegliche Verbindungen 4 zwischen den Rändern des Schiebegestells 3 eine Bewegung der Schieber 2 zu- und voneinander ermöglichen.
• Die Steuerung der Durchlassöffnungen kann grundsätzlich mittels einer Verbindung mit Sensoren erreicht werden, welche geeignete elektrische Signale an den Piezostacks des erfindungsgemäßen Dämpfungsmechanismus senden. Dabei würden die Signale erstmals von einer Auswerteeinheit verarbeitet werden. Diese Auswerteeinheit kann typischerweise einen Prozessor, einen Speicher und ein gespeichertes Programmprodukt aufweisen.
• Dabei könnte beispielsweise das Gelände vor einem Fahrzeug mittels der Sensoren abgetastet und mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges derart korreliert werden, dass eine Aktivierung der Piezostacks zu einem Zeitpunkt erfolgt, wo das Fahrzeug gerade über ein Hindernis fährt. Weitere Ausbildungen dieser Art sind auch für Flugzeuge während einer turbulenten Flugphase interessant.
• Eine weitere Ausbildung der Erfindung würde eine manuelle Einschaltung der Dämpfungseigenschaften erlauben. Diese Möglichkeit wäre für längere Off-Road- oder Autobahnstrecken interessant.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Durchlasskontrolle einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Gehäuse mittels eines beweglichen Objekts, bei der

- zumindest ein Teil des Objekts soweit ausdehnbar ist, dass eine Variation eines Durchlassraums für die Flüssigkeit im Gehäuse steuerbar ist,

- ein Piezostack derart in mechanischer Verbindung mit dem Objekt ist, dass der Querschnitt des Objekts oder die Ausdehnung eines Teils des Objekts mittels der Ausdehnung des Piezostacks steuerbar ist,

- der Piezostacks anhand von elektrischen Signalen durch elektrische Zuleitung aktivierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchlassraum zwischen dem Objekt und der Innenseite eines Gehäuses ist oder der Durchlassraum Teil des Objektes ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Objekt eine Erweiterung eines Kolbens ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Objekt ein Hohldoppelkegel ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Zuleitungen im Kolbenschaft untergebracht sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Piezostack im Hohldoppelkegel untergebracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Enden des Piezostacks jeweils mit der oberen und der unteren Spitze des Hohldoppelkegels in mechanischer Verbindung stehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Piezostack außerhalb des Hohldoppelkegels untergebracht ist und in einer mechanischen Verbindung mit dem Hohldoppelkegel steht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Objekt zylinderförmig ist und mindestens eine variierbare Durchlassöffnung aufweist, deren Öffnungsweite von den Piezostacks steuerbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Piezostack in einem zusätzlichen, vorgespannten Gehäuse untergebracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Gehäuse ein vorgespannter Hohldoppelkegel ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Gehäuse eine vorgespannte Rohrfeder ist.

13. Verfahren zur Steuerung einer Durchlassöffnung für eine Flüssigkeit oder ein Gas in einem Gehäuse mittels eines beweglichen Objekts, bei dem

- über eine elektrische Aktivierung ein Piezostack zur Ausdehnung gebracht wird,

- der Piezostack derart mit dem Objekt in Verbindung steht, dass die Durchlassöffnung für die Flüssigkeit variiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Piezostack unter einer Vorspannung gehalten wird und somit von äußeren Stößen und/oder schädlichen Zugspannungen geschützt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Querschnitt des Objekts variiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Öffnungsweiten von Durchlassöffnungen im Objekt variiert werden.