DE10316946A1

DE10316946A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Dämpfung von Druckschwingungen in Hydraulikleitungen

Info

Publication number: DE10316946A1
Application number: DE10316946A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Ehmann; Oliver Dr. Essig; Herbert Dr. Güttler; Marco Dipl.-Ing. Maier; Michael Dipl.-Ing. Rapp; Wilhelm Dr. Schiffer; Silvia Dr. Tomaschko
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-04-12
Filing date: 2003-04-12
Publication date: 2004-10-21
Also published as: US20060130919A1; WO2004090345A1; JP2006522891A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6, 7, 8, 9, 10) und ein Verfahren zur Dämpfung von Druckschwingungen in einer Hydraulikleitung (4). Dabei ist zwischen einer Druckquelle (2) und einem Verbraucher (3) ein Aktor (7) zur Erzeugung von Druckschwingungen (13) in der Hydraulikleitung (4) angeordnet. Eine Steuer-/Regeleinrichtung (10) kann den Aktor (7) derart ansteuern, dass dieser Druckschwingungen (13) erzeugt, die zumindest annähernd gegenphasig zu in der Hydraulikleitung (4) detektierten Druckschwingungen (11) ausgebildet sind. Die Druckschwingungen (11) werden dabei von einem Sensor (6) in der Hydraulikleitung (4) detektiert und/oder in Abhängigkeit von Parametern der Druckquelle (2) von der Steuer-/Regeleinrichtung (10) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dämpfung von Druckschwingungen in Hydraulikleitungen.

In einem hydraulischen System stellt eine Pumpe eine Schallquelle dar, die beispielsweise im Falle einer Flügelzellenpumpe Druckimpulse über die Rohrleitungen bzw. die unter Druck stehende Flüssigkeitssäule in das hydraulische System abgibt. Die Druckimpulse entstehen bei Druckänderungsvorgängen, die durch rein konstruktive Maßnahmen an der Flügelzellenpumpe nicht vollständig beseitigt werden können. Üblicher weise werden daher zwischen Pumpe und Verbraucher energieabsorbierende Hydraulikleitungen vorgesehen. Mit einer solchen passiven Dämpfung können Druckimpulse zwar abgeschwächt werden. Diese Dämpfung erfolgt jedoch meist nur in einem Betriebszustand der Pumpe optimal.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dämpfung von Druckschwingungen in Hydraulikleitungen anzugeben, deren Dämpfungswirkungsgrad nicht abhängig vom Betriebszustand der Druckquelle ist.

Grundlegender Gedanke der Erfindung ist es, mit einem Aktor Druckschwingungen in der Hydraulikleitung zu erzeugen, die amplitudengleich und gegenphasig zu Schwingungen verlaufen, die von der Druckquelle abgegeben in der Hydraulikleitung vorliegen. Bei Aufeinandertreffen der verschiedenen Druckschwingungen wird eine Überlagerung erreicht, wodurch im Idealfall eine Eliminierung der Schwingung erzielt wird (Antischallprinzip).

Dazu ist ein Regelkreis aus einem Drucksensor und einem Aktor sowie einer Steuer-/Regeleinrichtung vorgesehen, die die detektierten Druckschwingungen auswerten und den Aktor entsprechend ansteuern kann.

Dabei sind der Sensor und der Aktor derart in einer Hydraulikleitung zwischen einer Druckquelle und einem Verbraucher angeordnet, dass der Aktor einen geringeren Abstand von der Druckquelle aufweist als der Sensor. Damit wird gewährleistet, dass eine am Verbraucher auftretende Schwingung detektiert wird und über die Steuer-/Regeleinrichtung und den Aktor eine Schwingung in die Hydraulikleitung eingeleitet wird, die die detektierten Schwingungen überlagern.

Alternativ oder ergänzend zur Detektierung der von der Druckquelle emittierten Druckschwankung können von der Steuer-/Regeleinrichtung Parameter der Druckquelle ausgewertet werden, in Abhängigkeit derer der Aktor angesteuert wird. Diesbezügliche Parameter können beispielsweise Drehzahl einer Pumpe bzw. eines Motors der Druckquelle sowie Temperatur und/oder Strömungsgeschwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit sein. Entsprechende Kennfelder, die beispielsweise ein Ansteuersignal für den Aktor in Abhängigkeit von diesen Parameter abbilden, sind in der Steuer-/Regeleinheit abgelegt.

In Ausgestaltung der Erfindung weist der Aktor ein Piezoelement auf, welches in einem mit der Hydraulikleitung befestigten Gehäuse gelagert ist. Über Umwandlung von an das Piezoelement angelegter elektrischer Energie in mechanische Energie kann das Piezoelement eine Membran zu Schwingungen anregen, so dass diese sodann von der Membran auf die in der Hydraulikleitung befindliche Hydraulikflüssigkeit übertragen werden können. Dabei kann das Piezoelement direkt oder indirekt über ein Getriebe auf die Membran wirken.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, den Sensor innerhalb des Gehäuses des Aktor anzuordnen. Dadurch kann eine kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden.

Anwendung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell in jedem Hydraulikkreislauf finden, an den besondere Anforderungen hinsichtlich Schwingungen und Geräusche gestellt werden. Beispielsweise kann sie in der Servohydraulik von Lenksystemen eines Kraftfahrzeugs, im Schmierölkreislauf von Verbrennungskraftmaschinen, im Hydrauliksystem von Bremsanlagen oder Federungssystemen eines Kraftfahrzeugs finden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die anhand von Zeichnungen näher erklärt werden. Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Hydrauliksystem,
2 das Prinzip der aktiven Dämpfung durch Schwingungsüberlagerung,
3 einen Querschnitt durch einen schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Aktors,
4 eine Darstellung eines Aktors gem. 3 mit einem Übersetzungselement zwischen dem Piezoelement und der Membran,
5 eine Darstellung eines Aktors gem. 3 mit einer Querschnittsänderung zwischen der Membran und der Hydraulikleitung,
6 eine Darstellung eines Aktors gem. 3, wobei der Sensor zwischen Piezoelement und Membran angeordnet ist,
7 eine Darstellung eines Aktors gem. 6, jedoch mit einer Anordnung des Sensors zwischen Piezoelement und Gehäuse.
In den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit den selben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Hydrauliksystem 1 dargestellt, bei dem eine Druckquelle 2, beispielsweise eine Flügelzellenpumpe, mit einem Verbraucher 3, beispielsweise einen Hydraulikmotor, über eine Hydraulikleitung 4 verbunden ist. Zwischen der Pumpe 2 und dem Motor 3 ist eine erfindungemäße Vorrichtung 5 angeordnet. Dabei sind ein Sensor 6 und ein Aktor 7 wirkschlüssig mit der Hydraulikleitung 4 verbunden. Der Aktor 7 weist einen geringeren Abstand zur Pumpe 2 auf, als der Sensor 6. Über Signalleitungen 8, 28 sind der Sensor 6 und nicht näher darstellte Sensoren in oder an der Druckquelle 2 mit dem Eingang einer Steuer-/Regeleinrichtung 10 verbunden. Über eine Signalleitung 9 ist der Aktor 7 mit einem Ausgang der Steuer-/Regeleinrichtung 10 verbunden.
Der Sensor 6 detektiert eine beispielhaft in 2 im oberen Teil dargestellte Schwingung 11 einer von der Druckquelle 2 ausgehende Druckwelle mit der Amplitude 12. Diese Schwingung 11 wird in der Steuer-/Regeleinrichtung 10 ausgewertet. Sodann steuert die Steuer-/Regeleinrichtung 10 den Aktor 7 über die Signalleitung 9 derart an, dass vom Aktor 7 Schwingungen 13 in die Hydraulikleitung 4 abgegeben werden, die im Idealfall der in 2 im unteren Teil dargestellten Schwingung 13 entsprechen. Diese abgegebene Schwingung 13 ist gegenüber der vom Sensor 6 detektierten Schwingung 11 in der Phase um genau 180° gedreht, schwingt zu dieser somit gegenphasig. Da auch die Amplituden 12, 14 beider Schwingungen 11, 13 im Idealfall deckungsgleich sind, erfolgt eine vollständige Überlagerung beider Schwingungen 11, 13 und somit eine vollständige, gegenseitige Auslöschung der Schwingung 11.
Die in 2 dargestellte, vom Aktor 7 zu erzeugende Schwingung 13 kann von der Steuer-/Regeleinheit 10 auch über in Kennfelder abgelegte Zusammenhänge zwischen Parametern der Druckquelle und Ansteuersignalen des Aktors 7 ermittelt werden.
Im Ergebnis bedeutet dies, dass keine Druckschwingungen mehr in der Hydraulikleitung 4 auftritt. Dadurch lassen sich Vibrationen in der Hydraulikleitung 4 reduzieren, wodurch auf mechanische Dämpfungselemente verzichtet werden kann. Ebenso kann eine Pumpe mit einer geringeren Leistung betrieben und somit Energie eingespart werden kann. Gegenüber einer passiven Dämpfung mittels Dehnschläuchen zwischen Pumpe und Motor besteht der Vorteil, dass der von der Pumpe erzeugte Druck nicht durch ein elastisches Dehnverhalten der Dehnschläuche teilweise gemindert wird.
In den 3 bis 7 sind Querschnitte durch einen schematischen Aufbau erfindungsgemäßer Aktoren 7 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden jedoch in den 3 bis 7 die Anschlüsse an den Piezoelementen sowie die von dort zu der Steuer-/Regeleinrichtung führenden Signalleitungen nicht dargestellt.
In 3 ist an einem Ende einer Hydraulikleitung 4 ein Aktor 7 kraftschlüssig befestigt, der zwei axial geteilte und beispielsweise über (nicht dargestellte) Verschraubungen miteinander verbundene Gehäuseteile 15, 16 aufweist. Die Gehäuseteile 15, 16 sowie eine in dem der Hydraulikleitung 4 zugewandten Gehäuseteil 15 abgestützte, beispielsweise aus dünnen Metall bestehende Membran 17 umgeben eine gegenüber der Hydraulikleitung 4 abgedichtete Arbeitskammer 18. In dieser Arbeitskammer 18 ist ein Piezoelement 19 angeordnet, welches einerseits an der Innenwand 20 des der Hydraulikleitung 4 abgewandten Gehäuseteils 16 und andererseits an der der Arbeitskammer 18 zugewandten Innenseite 21 der Membran 17 abgestützt ist.
Bei Beaufschlagung des Piezoelements 19 mit einer elektrischen Spannung über beispielsweise in den Zeichnungen nicht dargestellte Kontakte des Piezoelements 19, dehnt sich das Piezoelement 19 in Längsrichtung um einen gewissen Betrag aus. Der Betrag der Ausdehnung ist z.B. abhängig von der Höhe der elektrischen Spannung sowie der Form und der Materialzusammensetzung des Piezoelements 19.
Infolge der Abstützung des Piezoelements 19 an der Innenwand 20 des hinteren Gehäuseteils 16, bewirkt die Längenänderung des Piezoelements 19 ein zumindest kurzzeitiges Verschieben von Bereichen der Membran 17 in Richtung der in der Hydraulikleitung 4 befindlichen Hydraulikflüssigkeit 22. Dadurch entsteht in der Hydraulikflüssigkeit 22 eine Druckwelle, die sich, ausgehend von der Membran 17, in der Hydraulikleitung 4 ausbreitet.
Durch die Dauer der Spannungsbeaufschlagung und die Beeinflussung der Längenänderung des Piezoelements 19 kann die Schwingungslänge und die Amplitude 14 der Druckwelle 13 beeinflusst werden. Somit ist es möglich, durch entsprechende Ansteuerung des Aktors 7 eine Druckwelle 13 mit vorgegebenem Schwingungsverlauf in der Hydraulikleitung 4 zu erzeugen.
Idealerweise entspricht die erzeugte Druckwelle 13 einer vom Sensor 6 detektierten, amplitudengleichen aber gegenphasigen Druckwelle 13.
Die in den 4 bis 7 dargestellte Aktoren 7 sind grundsätzlich gleich aufgebaut, wie der Aktor 7 in 3. Sie unterscheiden sich lediglich in den nachfolgend aufgeführten Merkmalen.
In 4 ist zwischen dem Piezoelement 19 und der Membran 17 ein Übersetzungselement 23 angeordnet, welches eine Längenänderung des Piezoelements 19 verstärkt auf die Membran 17 überträgt. Dieses Übertragungselement 23 kann beispielsweise ein nach dem Hebelprinzip arbeitendes mechanisches Getriebe oder auch eine hydraulische Übersetzung sein.
Eine derartige hydraulische Übersetzung ist in 5 dargestellt. Hierbei weist die der Hydraulikleitung 4 zugewandte Seite der Membran 17 eine freie Querschnittsfläche auf, die größer ist als die Querschnittsfläche der Hydraulikleitung 4. Eine von der Membran 17 in den unmittelbar vor der Membran 17 liegenden Bereich 24 abgegebene Druckschwingung 13 wird durch eine Querschnittsverengung 25 bei Eintritt in die Hydraulikleitung 4 verstärkt.
In den 6 und 7 sind Aktoren 7 dargestellt, bei denen jeweils ein Sensor 6 mit in der vom Gehäuse 15, 16 und der Membran 17 umgebenen Arbeitskammer 18 eingeschlossen ist. Dabei ist der Sensor 6 in der in 6 dargestellten Ausführungsform zwischen dem Piezoelement 19 und der Membran 17 bzw. bei der in 7 dargestellten Ausführungsform zwischen Piezoelement 19 und Innenwand 20 des hinteren Gehäuseteils 16 angeordnet.
Der verwendete Sensor 6 kann ebenfalls – wie auch der Sensor in 1 – ein Piezoelemente 27 sein. Auf dieses Piezoelement 27 auftreffende Druckwellen rufen Deformationen am Piezoelement 27 hervor, die als Spannungsänderungen durch die Steuer-/Regeleinrichtung 10 erkannt und ausgewertet werden können.
Eine Vorrichtung mit der Ausführungsform gem. 6 kann wie folgt arbeiten:
Ein im Gehäuse 15, 16 des Aktors 7 integrierter gegebenenfalls zusätzlicher Sensor 29 detektiert eine in der Hydraulikleitung 4 vorherrschende und auf die Membran 17 auftreffende Druckschwingung 11 und leitet ein entsprechendes Signal über die Leitung 8 an die Steuer-/Regeleinrichtung 10. Die Steuer-/Regeleinrichtung 10 wertet dieses Signal aus und regt das Piezoelement 19 des Aktors 7 zu Schwingungen 13 an, die über das Piezoelement 27 des Sensors 29 auf die Membran 17 und von dieser auf die Hydraulikflüssigkeit 22 in der Hydraulikleitung 4 übertragen werden. Die dabei in der Hydraulikflüssigkeit 22 verursachten Schwingungen 13 löschen die von der Druckquelle 2 verursachten Schwingung 11 infolge von Überlagerung aus.
Auf das Piezoelement 27 des Sensors 29 wirken somit einerseits Schwingungen 11 aus der Hydraulikleitung 4 über die Membran 17 ein, andererseits wird das Piezoelement 27 des Sensors 29 vom benachbarten Piezoelement 19 des Aktors 7 mit Schwingungen 13 beaufschlagt. Zur Auswertung des Sensorsignals subtrahiert die Steuer-/Regeleinrichtung 10 daher die vom Aktor 7 verursachte Schwingung 13, um so die in der Hydraulikleitung 4 herrschende Druckschwingung 11 zu detektieren.
Bei der Ausführungsform gem. 7 ist das Piezoelement 27 des Sensors 29 zwischen dem Piezoelement 19 des Aktors 7 und der Innenwand 20 des von der Hydraulikleitung 4 abgewandten Gehäuseteils 16 angeordnet. Auch bei dieser Anordnung setzen sich die vom Sensor 27 detektierten Schwingungen aus den in der Hydraulikleitung 4 befindlichen Druckschwingungen 11 und den vom Aktor 7 erzeugten Schwingungen 13 zusammen, so dass zur Ermittlung der tatsächlich aus dem Hydraulikleitung 4 stammenden Druckschwingung 13 die vom Aktor verursachte Schwingung 11 durch die Steuer-/Regeleinrichtung 10 zu subtrahieren ist.
Vorteile bietet die Anordnung des Sensors 27 im Gehäuse 15, 16 des Aktors 7 hinsichtlich des geringen benötigten Bauraums infolge der Doppeltnutzung von Teilen. So werden beispielsweise das Gehäuse 15, 16 und die Membran 17 des Aktors 7 für den Sensor 29 genutzt.

Claims

Vorrichtung (6, 7, 8, 9, 10) zur Dämpfung von Druckschwingungen in einer Hydraulikleitung (4) zwischen einer Druckquelle (2) und einem Verbraucher (3), mit – einem Aktor (7) zur Erzeugung von Druckschwingungen (13) in der Hydraulikleitung (4) und – einer Steuer-/Regeleinrichtung (10), die – von einem Sensor (6) in der Hydraulikleitung (4) detektierte Druckschwingungen (11) auswerten kann und/oder – in Abhängigkeit von Parametern der Druckquelle (2) den Aktor (7) derart ansteuern kann, dass dieser Druckschwingungen (13) erzeugt, die zumindest annähernd gegenphasig zu den detektierten Druckschwingungen (11) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (6) ein Piezoelement (19) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, – dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (6) ein Gehäuse (15, 16) aufweist, welches mit der Hydraulikleitung (4) kraftschlüssig verbunden ist, – ein Piezoelement (19) in dem Gehäuse (15, 16) abgestützt ist und – das Piezoelement (19) mit der einen Seite (21) einer Membran (17) in Wirkverbindung steht, deren andere Seite mit einer Flüssigkeit (22) in der Hydraulikleitung (4) beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoelement (19) und der Membran (17) ein Übersetzungselement (23) angeordnet ist, mit dem die Amplitude (14) einer Schwingung (13) des Piezoelements (19) verstärkt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungselement (23) nach dem Hebelprinzip arbeitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (7) auf der dem Piezoelement (19) gegenüberliegenden Seite der Membran (17) einen Bereich (24) aufweist, der – mit der Hydraulikleitung (4) verbunden ist und – dessen Querschnitt größer ist, als der Querschnitt der Hydraulikleitung (4).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15, 16) des Aktors (6) in Längsrichtung teilbar und über einen Adapter an der Hydraulikleitung (4) befestigbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensor (6) und Aktor (7) von dem selben Gehäuse (15,16) umgeben sind.
Verfahren zum Dämpfen von Druckschwingungen in Hydraulikleitungen mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer-/Regeleinrichtung (10) einen Aktor (7) ansteuert, der sodann Druckschwingungen (13) in der Hydraulikleitung (4) erzeugt, die zumindest annähernd gegenphasig zu in der Hydraulikleitung (4) vorliegenden Druckschwingungen (11) ausgebildet sind, wobei die Druckschwingungen (11) in der Hydraulikleitung (4) – von einem Sensor (6) detektiert und der Steuer-/Regeleinrichtung (10) ausgewertet werden oder – in Abhängigkeit von Parametern der Druckquelle (2) von der Steuer-/Regeleinrichtung (10) ermittelt werden.