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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dämpfung von
Schwingungen an einer Fahrzeug- oder Maschinenkomponente, insbesondere
an einer rotierenden Welle, umfassend eines oder mehrere an der
Fahrzeug- oder Maschinenkomponente bzw. Welle applizierbare Piezoelemente
und eine an der Fahrzeug- oder Maschinenkomponente bzw. Welle und/oder
an mindestens einem Piezoelement applizierbare, autarke elektrische
Schaltung, die mit dem bzw. den Piezoelementen elektrisch verbunden
ist.
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Derartige
Vorrichtungen, die den piezoelektrischen Effekt zur Dämpfung von
Schwingungen nutzen, lassen sich überall dort einsetzen, wo an
Wellen Schwingungen auftreten, und zwar unabhängig von der Richtung der Schwingungen.
So können
mit der piezoelektrischen Schwingungsdämpfungsvorrichtung Biegeschwingungen,
Torsionsschwingungen und gegebenenfalls auch Longitudinalschwingungen bekämpft werden.
Aufgrund der autarken Ausgestaltung der elektrischen Schaltung eignet
sich die Vorrichtung besonders zur Anbringung an bewegten Fahrzeug-
und Maschinenkomponenten, bei denen sich eine externe Stromversorgung
schwierig gestalten würde.
Dies gilt insbesondere für
alle rotierenden Wellen an einem Kraftfahrzeug. Jedoch lässt sich das
erfindungsgemäße Prinzip
auch auf andere Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Lager, etc.
anwenden.
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Die
Verwendung des piezoelektrischen Effekts zur Schwingungsdämpfung ist
aus dem Stand der Technik bereits allgemein bekannt. Zu diesem Zweck
werden piezoelektrische Elemente, im folgenden kurz Piezoelemente,
fest mit dem zu dämpfenden
System gekoppelt. Mechanische Verformungen, die auf das Piezoelement übertragen
werden, bewirken dort eine Polarisierung. Durch den Abbau derselben
kann einem schwingenden mechanischen System Energie entzogen werden.
Umgekehrt kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Längenänderung
bewirkt werden (reziproker piezoelektrischer Effekt), über die
dem schwingenden System Energie zugeführt werden kann.
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Aus
der
JP 10309951 A sowie
der korrespondierenden
US
6,012,333 A sind verschiedene Schwingungsdämpfungsvorrichtungen
der eingangs genannten Art im Zusammenhang mit einer Antriebswelle
eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die bekannten Schwingungsdämpfungsvorrichtungen
umfassen jeweils mehrere Piezoelemente, die fest mit einer Welle
verbunden und mit einer elektrischen Schaltung zum Zweck der Energiedissipation
verbunden sind. In einer ersten Ausgestaltungsform sind diese Piezoelemente
mit ihrer Hauptwirkungsrichtung parallel zur Längsachse der Welle ausgerichtet,
um Biegeschwingungen zu dämpfen.
In einer weiteren Ausgestaltungsform sind die Piezoelemente zu der
Längsachse
der Welle gegensätzlich
angewinkelt, wodurch die Dämpfung
von Torsionsschwingungen ermöglicht wird.
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Diese
Konfigurationen aus Piezoelementen werden bei dem genannten Stand
der Technik in unterschiedlicher Weise zur Dämpfung von Schwingungen eingesetzt,
wobei hier zwischen einer sogenannten passiven Nutzung und einer
sogenannten aktiven Nutzung zu unterscheiden ist.
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Im
erstgenannten Fall sind die Piezoelemente, die selbst wie eine Kapazität wirken,
mit passiven elektrischen Komponenten wie Induktivitäten, Kapazitäten oder
Impedanzen verschaltet, um ein RCL-Netzwerk zu bilden. Dieses wird
auf die zu bedämpfende
Frequenz abgestimmt, ist ansonsten jedoch wenig flexibel. Der wesentliche
Vorteil eines passiven Systems liegt in seiner einfachen Ausgestaltung
sowie darin, dass keine externen Anschlüsse und ein zusätzlicher
Energieeintrag zur Schwingungsdämpfung
benötigt
werden. Dies prädestiniert passive
Systeme für
den Einsatz an bewegten Komponenten, zu denen die Übertragung
elektrischer Energie schwierig oder zumindest sehr aufwendig ist. Jedoch
ist die Leistungsfähigkeit
eines solchen passiven Systems zur Schwingungsdämpfung beschränkt.
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Im
Fall einer aktiven Nutzung der Piezoelemente lässt sich eine erhebliche Leistungssteigerung bis
zur vollkommenen Auslöschung
der störenden Schwingungen
erzielen. Allerdings sind derartige Systeme mit einem erheblichen
baulichen Aufwand verbunden. Sie erfordern nämlich einen Energieeintrag,
im Umfang des Energieinhalts der zu dämpfenden Schwingung. Bei bewegten
Komponenten wie z. B. einer Antriebswelle in einem Kraftfahrzeug
stellt dies ein signifikantes Problem dar, das in der
JP 10309951 A sowie der
US 6,012,333 A durch
entsprechende Schleifringe an der Welle gelöst wird. Über die Schleifringe der Welle
wird die elektrische Schaltung mit Strom versorgt. Damit geht jedoch
die Autarkie des Systems verloren. Die für die Stromversorgung benötigten Bauteile
bedingen einen erhöhten
Bauaufwand und bergen ein zusätzliches
Störungsrisiko.
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Weitere
Schwingungsdämpfungsvorrichtungen
mit passiver und aktiver Nutzung von Piezoelementen sind aus der
DE 100 42 617 A1 und
der
GB 2,374,652 A bekannt.
Dort wird weiterhin beschrieben, passive und aktive Systeme mittels
einer Steuereinrichtung an die auftretenden Schwingungen anzupassen,
indem die Frequenzen der auftretenden Schwingungen gemessen werden.
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Eine
rein passive Schwingungsdämpfungsvorrichtung
wird weiterhin in der
DE
199 30 055 A1 offenbart. Dort wird unter anderem ausgeführt, dass durch
die Umsetzung der aus der Umwandlung der mechanischen Energie einer
Schwingung resultierenden elektrischen Energie der Piezoelemente
in Wärme
an den elektrischen Komponenten des elektrischen Schaltkreises dem
Gesamtsystem Energie entzogen werden kann, wodurch an der schwingenden
Fahrzeugkomponente ein Dämpfungseffekt
bewirkt werde. Weiterhin wird dort ausgeführt, dass es auch möglich sei,
durch eine geeignete Frequenzabstimmung der elektrischen Komponenten
eines RCL-Schwingkreises Energie gegenphasig in die Piezoelemente
zurückzuführen, um
so bestimmte Frequenzen zu tilgen.
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Vor
diesem Hintergrund zielt die Erfindung darauf ab, eine autarke Schwingungsdämpfungsvorrichtung
der eingangs genannten Art im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird in überraschend
einfacher Weise durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 gelöst,
die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Schwingungsdämpfung über die
elektrische Schaltung semi-aktiv vorgenommen wird.
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Hierdurch
lässt sich
das Leistungspotenzial eines an sich passiven Systems erheblich
steigern, d. h. eine stärkere
Schwingungsdämpfung
als bei einem rein passiven System erzielen. Gegenüber einem
aktiven System bleibt der Energieeintrag um Dimensionen erheblich
geringer, so dass eine aufwendige Stromversorgung mit entsprechenden
Schnittstellen zu einer bewegten Fahrzeugkomponente nicht benötigt werden.
Die für
den Betrieb des elektrischen Schaltkreises erforderliche Hilfsenergie
ist so klein, dass sie zum Beispiel über eine Batterie oder aus
der Schwingung selbst gewonnen werden kann. Der erforderliche Strombedarf
für die
Lebensdauer des Fahrzeugs zur Bedämpfung einer Antriebswelle eines
Kraftfahrzeugs entspricht in etwa dem Energieinhalt einer Mikrobatterie.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische
Schaltung eine Steuerschaltung und eine Hilfsenergiequelle zur Speisung
der Steuerschaltung. Dabei ist die Steuerschaltung derart konfiguriert,
um Energie von den Piezoelementen entweder nur abzuführen oder
aber phasenverschoben zur Schwingung in das bzw. die Piezoelemente
zurückzuleiten.
Durch einen äußerst geringfügigen Energieeintrag
lässt sich
so eine deutliche Verbesserung des Dämpfungsverhaltens erzielen.
Dieser dient lediglich dazu, die Steuerung zu betreiben und wird
selbst nicht zur Dämpfung
eingesetzt.
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Ein
Leistungsniveau wie bei einer aktiven Nutzung der Piezoelemente
wird man hiermit zwar voraussichtlich nicht erreichen. Jedoch ergeben
sich aufgrund des geringeren baulichen Aufwands und der geringeren
Störanfälligkeit
praktische Vorteile. Im Vergleich zu dem rein passiven Referenzsystem
bietet das erfindungsgemäße System
vor allem eine deutliche Leistungssteigerung bei vergleichbarem Aufwand.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung kann die elektrische Schaltung als Hilfsenergiequelle
an der Welle eine Batterie aufweisen. Die Batterie kann dabei unmittelbar
an einer Platine für
die elektrische Schaltung vorgesehen sein, welche ihrerseits mit
einem oder mehreren Piezoelementen zu einer Baueinheit zusammengefasst
werden kann.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Möglichkeit, die
betreffende Fahrzeugkomponente leichter oder kompakter zu dimensionieren.
So werden beispielsweise Fahrzeug- und Maschinenwellen so ausgelegt, dass
diese nicht im biege- oder torsionskritischen Frequenzbereich betrieben
werden oder dieser Frequenzbereich im Betrieb schnell durchlaufen
wird. Aus Gewichtsgründen
werden Fahrzeugwellen daher oftmals als Hohlwellen mit großem Durchmesser ausgeführt, da
diese bei gleichem Gewicht ein größeres Flächenträgheitsmoment aufweisen als
Vollwellen. Die erfindungsgemäße Lösung beseitigt
diese Konstruktionseinschränkung
und ermöglicht
kompaktere Wellen aus Vollmaterial. Sie trägt damit zu einer kompakteren
und leichtgewichtigeren Bauweise der mit ihr versehenen Maschinen-
und Fahrzeugkomponenten bei.
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Praktisch
kann also beispielsweise eine Welle im Hinblick auf die im Betrieb
auftretenden Drehzahlen in einem schwingungskritischen Bereich dimensioniert
werden, in dem eine Dämpfung über die Piezoelemente
erfolgt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung erlaubt
sowohl die Dämpfung
von Biegeschwingungen, Torsionsschwingungen und Longitudinalschwingungen. Der
bzw. die betreffenden elektrischen Schaltungen werden auf die entsprechenden
Frequenzen abgestimmt. Insbesondere ist es auch möglich, durch
eine gezielte Abstimmung und Anordnung der Piezoelemente Schwingungen
unterschiedlichen Typs zu dämpfen
sowie eine Dämpfung
bei unterschiedlichen Frequenzen zu bewirken.
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Im
Hinblick auf die Bekämpfung
von Biegeschwingungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hauptwirkrichtungen
der hierfür
vorgesehenen Piezoelementen im Einbauzustand parallel zu der Längsachse
der Welle verlaufen.
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Für die Bekämpfung von
Torsionsschwingungen werden die Hauptwirkrichtungen der Piezoelemente
im Einbauzustand zu der Längsachse
der Welle angewinkelt.
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Dabei
können
mehrere Piezoelemente in einer einander unterstützenden Art und Weise angeordnet
und verschaltet werden.
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Im
Hinblick auf die Bekämpfung
von Torsionsschwingungen ist es beispielsweise vorteilhaft, Piezoelemente
mit entgegengesetzten Anstellwinkeln zur Längsachse der Welle vorzusehen.
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Weiterhin
können
Piezoelemente mehrlagig appliziert werden, wobei die übereinanderliegenden Piezoelemente
jeweils einander verstärkend
verschaltet sind.
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Zudem
ist es möglich,
Piezoelemente in bezug auf die Längsachse
der Welle einander gegenüberliegend
zu applizieren und diese einander verstärkend zu verschalten.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die semi-aktive Nutzung
der Piezoelemente dadurch realisiert, dass die elektrische Schaltung
mit dem bzw. den Piezoelementen einen Schwingkreis bildet, in den
zur Phasenverschiebung eine Steuerschaltung mit einem Operationsverstärker integriert
ist, der über
die Hilfeenergiequelle betrieben wird. Eine entsprechende Operationsverstärkerschaltung lässt sich
sehr einfach auf einer Komponente wie einer Welle integrieren und
wird mit einigen Volt zum Betrieb der Schaltung angesteuert.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die semi-aktive
Nutzung der Piezoelemente dadurch realisiert, dass die elektrische
Schaltung mit dem bzw. den Piezoelementen einen Schwingkreis bildet,
in den als Steuerschaltung eine Takteinrichtung integriert ist, über die
zu definierten Zeitintervallen der Schwingkreis entladen wird. Durch
eine mechanische Schwingung wird ein Piezoelement, das man sich
elektrisch als einen Kondensator vorstellen kann, ständig aufgeladen
und entladen. Wird nun die Aufladung abgeleitet, so wird dem schwingenden
System mehr Energie entzogen, als bei einem passiven Schwingkreis.
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Der
Energiebedarf zum Betrieb einer entsprechenden Schaltung ist sehr
klein, so dass eine kleine Batterie, die in die Welle oder Schaltung
integrierbar ist, als Lebensdauerspeisung für die Welle ausreicht. Unter
Umständen
kann die Betriebsenergie für
die Schaltung auch aus der Schwingung selbst gewonnen werden, beispielsweise über weitere,
entsprechend verschaltete Piezoelemente an der Welle.
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Vorzugsweise
wird die Takteinrichtung mit der Frequenz der zu dämpfenden
Schwingung betrieben.
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Die
Frequenz der Takteinrichtung kann fest eingestellt sein. Jedoch
ist es auch möglich,
Mittel zur automatischen Synchronisation der Takteinrichtung mit
der Frequenz der Schwingung vorzusehen. Dies ermöglicht eine selbsttätige Anpassung
der Dämpfungsvorrichtung
in denjenigen Fällen,
in denen die zu dämpfenden
Frequenzen oder das Frequenzmaximum, zum Beispiel infolge von Fertigungs-
und Einbautoleranzen, schwankt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die semi-aktive
Nutzung der Piezoelemente dadurch realisiert, dass ein Piezoelement
zu einer Kapazität
der elektrischen Schaltung, z. B. einem Kondensator, parallel geschaltet
ist und weiterhin Mittel vorgesehen sind, welche die Energie der
parallel geschalteten Kapazität
phasenverschoben an das Piezoelement zurückleiten.
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Leitet
man die elektrische Energie, die an einem Piezoelement gewonnen
wird, auf einen elektrischen Kondensator, so wird dem Schwingungssystem
Energie entzogen. Sendet man diese Energie phasenverschoben zurück auf das
Piezoelement, so kann sich dieses entgegen der Schwingungsverformung
ausdehnen und diese vermindern. Im günstigsten Fall ist hierbei
keine oder aber nur eine geringe Spannung aus einer Batterie, die
sich an oder in der Welle befindet zum effizienten Betrieb der Schaltung erforderlich.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine
schematische Ansicht einer Fahrzeugwelle mit einer autarken, semi-aktiven Dämpfungsvorrichtung
nach der Erfindung,
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2 ein
Schnitt durch eine zweilagige Piezoeinheit,
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3 ein
Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
der autarken, semi-aktiven
Dämpfungsvorrichtung
nach der Erfindung,
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4 ein
Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels
der autarken, semi-aktiven
Dämpfungsvorrichtung
nach der Erfindung,
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5 ein
Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels
der autarken, semi-aktiven
Dämpfungsvorrichtung
nach der Erfindung, und in
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6 eine
schematische Ansicht einer weiteren Fahrzeugwelle mit einer autarken,
semi-aktiven Dämpfungsvorrichtung
nach der Erfindung.
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Das
Ausführungsbeispiel
zeigt in 1 eine Maschinen- bzw. Fahrzeugkomponente,
die hier beispielhaft in Form einer rotierenden Welle 10 dargestellt
ist. An dieser Welle 10 ist eine autarke Dämpfungsvorrichtung 1 appliziert,
die unter semi-aktiver Nutzung des piezoelektrischen Effekts arbeitet.
Eine gesonderte Stromversorgung der Dämpfungsvorrichtung 1 von
außen
ist daher nicht vorgesehen.
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Die
Dämpfungsvorrichtung 1 umfasst
eines oder mehrere an der Welle 10 applizierbare Piezoelemente 3.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind zur Veranschaulichung vier Piezoeinheiten 2 mit insgesamt
acht Piezoelementen 3 gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet.
Weiterhin umfasst die Dämpfungsvorrichtung 1 eine
elektrische Schaltung 4, die mit den Piezoelementen 3 elektrisch
verbunden ist und ebenfalls an der Welle 10 sitzt. Die elektrische
Schaltung 4 kann auf die Piezoeinheiten 2 verteilt
sein, wie dies in 1 dargestellt ist, wobei die
Schaltungsteile untereinander verbunden sind. Alternativ ist es
auch möglich,
die elektrische Schaltung 4 für alle Piezoelemente 3 in
eine Piezoeinheit 2 integrieren oder aber als separate
Komponente unmittelbar an der Welle 10 zu applizieren.
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2 zeigt
einen Schnitt durch eine Piezoeinheit 2 im Bereich der
Piezoelement 3. Die hier beispielhaft dargestellte Piezoeinheit 2 ist
als flacher, folienartiger Körper
ausgebildet, in den zwei übereinanderliegende
Piezoelemente 3 mit zugehörigen Elektroden 5 in
eine Kapsel 6 eingebettet sind, welche die Piezoelemente 3 schützt. Dabei
sind die übereinander
liegenden Piezoelemente 3 einander verstärkend verschaltet.
Ein weiterer Verstärkungseffekt
wird durch die gegenüberliegende
Anordnung mehrere Piezoeinheiten 2 mit entsprechender elektrischer
Verbindung untereinander erzielt. Die Piezoeinheiten 2 werden
fest mit der Welle 10 verbunden, so dass infolge von Schwingungen
an der Welle 10 auftretende mechanische Verformungen zu
einer entsprechenden Verformung der Piezoelemente 3 führen.
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Die
Kapsel 6 des hier dargestellten Ausführungsbeispiels nimmt weiterhin
die elektrische Schaltung 4 bzw. Teile davon auf. Diese
elektrische Schaltung 4 umfasst eine Steuerschaltung 7 und
eine Hilfsenergiequelle 8 zur Speisung der Steuerschaltung 7. Die
Steuerschaltung 7, die nachfolgend im Zusammenhang mit
den 3 bis 5 noch näher erläutert wird, ist derart konfiguriert,
um Energie von den Piezoelementen 3 entweder nur abzuführen oder aber
phasenverschoben zur Schwingung in das bzw. die Piezoelemente 3 zurückzuleiten.
Hieraus resultiert eine Dämpfung
der mechanischen Schwingungen an der Welle 10.
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Die
Hilfsenergiequelle 8 dient dabei im wesentlichen der Versorgung
der Steuerschaltung 7, mit der eine Optimierung der Nutzung
der ansonsten aus passiven elektrischen Komponenten bestehenden Schaltung 4 erzielt
wird. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird
somit aus der Hilfsenergiequelle 8 keine Energie in das
schwingende System eingespeist, um durch eine gegenphasige Energieeinleitung
eine Schwingung zu löschen,
wie dies bei aktiven Systemen der Fall ist. Vielmehr dient die Hilfsenergiequelle 8 bildlich
gesprochen dazu, die durch eine mechanische Schwingung erzeugte
elektrische Energie in einer gewünschten
Weise zu verschieben, um dadurch einen verbesserten Dämpfungseffekt
zu bewirken. Die für
die Verschiebung erforderliche Leistung liegt weit unter dem für eine aktive
Dämpfung
benötigten Leistungsbedarf.
Sie kann unter Umständen
sogar unmittelbar aus der Schwingung gewonnen werden, beispielsweise über eine
weitere Piezoeinrichtung an der Welle 10.
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Bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist als Hilfsenergiequelle 8 eine Batterie vorgesehen,
die an der Welle 10 angeordnet wird. Die Anordnung kann
im Prinzip separat von den Piezoeinheiten 2 erfolgen. Hier
ist jedoch die Batterie als Mikrobatterie unmittelbar in die elektrische
Schaltung 4 bzw. die zugehörige Platine integriert und
ebenfalls in die Kapsel 6 einer Piezoeinrichtung 2 eingebettet.
Im Hinblick auf die Vermeidung von Unwuchten an der Welle 10 kann
es zweckmäßig sein,
alle Piezoeinheiten 2 im wesentlichen gleichartig auszubilden und dementsprechend
jeweils mit einer Batterie als Hilfsenergiequelle 8 zu
versehen. Angesichts des geringen Stromverbrauchs der Steuerschaltung 4 reichen die
Batterien unter Umständen
für die
gesamte Lebensdauer der Welle 10 aus.
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Letztere
kann aufgrund der Ausstattung mit der semi-aktiven, autarken Dämpfungsvorrichtung 1 nunmehr
im Hinblick auf die im Betrieb auftretenden Drehzahlen auch in einem
schwingungskritischen Bereich dimensioniert werden, in dem eine
Dämpfung über die
Piezoelemente 3 erfolgt. Hierdurch lässt sich eine kompaktere und
leichtgewichtigere Bauweise realisieren. Insbesondere kann beispielsweise
eine Antriebswelle mit geringem Durchmesser aus Vollmaterial hergestellt
werden. Im schwingungskritischen Bereich wird die Dämpfungsvorrichtung
1 wirksam, um eine Überlastung
zu vermeiden.
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Das
vorstehend erläuterte
Prinzip der semi-aktiven Nutzung der Piezoelementen 3 lässt sich zur
Dämpfung
sowohl von Biegeschwingungen, Torsionsschwingungen und Longitudinalschwingungen einsetzen.
Bei entsprechender Frequenzabstimmung der elektrischen Schaltung 4 können Schwingungen bei
verschiedenen Frequenzen gedämpft
werden. Zudem lassen sich unterschiedliche Typen von Schwingungen
in Kombination bedämpfen.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die
Hauptwirkrichtungen der Piezoelemente 3 im Einbauzustand
parallel zu der Längsachse
der Welle 10. Hierdurch können insbesondere Biegeschwingungen
und Longitudinalschwingungen gut gedämpft werden.
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Zur
Dämpfung
von Torsionsschwingungen empfiehlt es sich hingegen, die Hauptwirkrichtungen der
Piezoelemente 3 im Einbauzustand zu der Längsachse
der Welle 10 anzuwinkeln, wie dies in 6 dargestellt
ist. Dabei können
Piezoelemente 3 mit entgegengesetzten Anstellwinkeln zur
Längsachse
der Welle 10 vorgesehen werden, die durch entsprechende
Verschaltung die Dämpfungswirkung
erhöhen.
Alternativ oder ergänzend
ist es möglich,
diese Piezoelemente 3 entsprechend 2 jeweils mehrlagig
zu applizieren und die übereinanderliegenden
Piezoelemente 3 einander verstärkend zu verschalten. Zudem
kann wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
nach 1 eine in bezug auf die Längsachse der Welle 10 gegenüberliegende
Anordnung vorgesehen werden, um die Wirksamkeit der Piezoeinrichtung
an 2 zu vergrößern.
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Das
in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel ermöglicht insbesondere
die Dämpfung
hochfrequenter Torsionsschwingung, die an einer Antriebswelle eines
Kraftfahrzeugs dem eigentlichen Drehmoment überlagert sind und sich ansonsten über die
Motor- und Fahrwerkslagerung sowie die Lenkung in den Innenraum
des Fahrzeugs ausbreiten können.
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Die
semi-aktive Nutzung der oben erläuterten
Piezoelemente 3 kann auf unterschiedliche Art und Weise
erfolgen.
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3 zeigt
eine erste Möglichkeit
unter Verwendung einer Steuerschaltung 7 mit einem Operationsverstärker. Diese
Lösung
geht von der Überlegung
aus, dass sich an einem Schwingkreis, in den das Piezoelement 3 eingebunden
wird, eine gewünschte
Phasenverschiebung mit Dämpfungswirkung
auf das schwingende System mit realen Spulen schlecht verwirklichen
lässt.
Es hat sich gezeigt, dass dies einfach dadurch behoben werden kann,
indem in die elektrische Schaltung 4, die mit dem bzw.
den Piezoelementen 3 einen Schwingkreis bildet, zur Phasenverschiebung
eine Steuerschaltung 7 mit einem Operationsverstärker integriert
ist, der über
die Hilfeenergiequelle 8 betrieben wird. Dadurch ist es
möglich,
die infolge einer mechanischen Schwingung in den Piezoelementen 3 erzeugte
elektrische Energie phasenverschoben zur Schwingung in das bzw.
die Piezoelemente 3 zurückzuleiten,
so dass unter Ausnutzung des reziproken piezoelektrischen Effekts eine
der mechanischen Schwingung entgegenwirkende Kraft erzeugt wird,
welche die Schwingung mindert.
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4 zeigt
eine weitere Möglichkeit
der semi-aktiven Nutzung der Piezoelemente 3. Hierzu bildet
die elektrische Schaltung 4 mit dem bzw. den Piezoelementen 3 wiederum einen
Schwingkreis. In diesen ist als Steuerschaltung 7 nunmehr
jedoch eine Takteinrichtung integriert ist, über die nach definierten Zeitintervallen
der Schwingkreis entladen wird. Damit wird dem mechanischen Schwingungssystem mehr
Energie entzogen und der Dämpfungseffekt deutlich
vergrößert. Der
Energiebedarf zum Betrieb der Takteinrichtung ist sehr klein, so
dass anstelle einer Batterie als Lebensdauerspeisung unter Umständen sogar
allein die über
die Schwingung bereitgestellte Energie zur Versorgung ausreicht.
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Vorzugsweise
arbeitet die Takteinrichtung mit der Frequenz der Schwingung der
Welle. Geeignete Mittel zur automatischen Synchronisation der Takteinrichtung
mit der Frequenz der Schwingung erlauben eine flexible Schwingungsdämpfung in
Abhängigkeit
der auftretenden Frequenzen. Dazu können an der Welle 10 entsprechende
Sensoren und Steuereinrichtung vorgesehen werden, so dass das System
weiterhin autark bleibt.
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5 zeigt
als weitere Möglichkeit
der semi-aktiven Nutzung ein Piezoelement 3, das zu einer Kapazität der elektrischen
Schaltung 4, z. B. einem Kondensator, parallel geschaltet
ist. Weitere Mittel und Einrichtungen in der elektrischen Schaltung 4 ermöglichen
es, die Energie der parallel geschalteten Kapazität phasenverschoben
an das Piezoelement 3 zurückleiten und dadurch wie bei
dem Beispiel nach 3 einen Dämpfungseffekt zu bewirken.
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In
sämtlichen
Fällen
wird nicht eine der Schwingungsenergie entsprechende Energie aktiv zugeführt, sondern
lediglich eine kleine Zusatzenergie, um die an sich passive Nutzung
der Piezoelemente 3 durch eine effiziente Schaltung besser
umzusetzen. Damit ergibt sich zwar eine leistungsmäßig weniger
effiziente Schwingungsverminderung, als bei aktiven Systemen. Jedoch
zeichnen sich die hier vorgestellten Lösungen durch einen einfachen
Aufbau sowie die Unabhängigkeit
von einer externen Stromversorgung aus, so dass sich diese hervorragend
zur Schwingungsverminderung an bewegten Maschinen- und Fahrzeugkomponenten
wie beispielsweise rotierenden Wellen 10 eignen.
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Vorstehend
wurde die Erfindung im Zusammenhang mit einer rotierenden Welle 10 beispielhaft erläutert. Jedoch
lässt sich
das erfindungsgemäße Prinzip
auch auf anderen bewegte Komponenten übertragen, bei denen sich eine
externe Stromversorgung schwierig gestaltet.
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Die
Erfindung ist somit nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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- 1
- Dämpfungsvorrichtung
- 2
- Piezoeinheit
- 3
- Piezoelement
- 4
- elektrische
Schaltung
- 5
- Elektrode
- 6
- Kapsel
- 7
- Steuerschaltung
- 8
- Hilfsenergiequelle