DE19642827B4 - Aktuator zur Schwingungsbedämpfung - Google Patents

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Abstract

Anordnung zweier relativ zueinander schwingbeweglicher Massen, wobei zwischen den Massen Mittel zur Kompensation der Schwingbewegung angeordnet sind und den Mitteln zur Kompensation der Schwingbewegung mindestens ein Aktuator beigeordnet ist, der aus mindestens einem ansteuerbaren Piezoelement besteht dadurch gekennzeichnet, daß die eine Masse (m1) von einem Fahrzeugaufbau (11) und die andere Masse (m2) von Achsteilen in Verbindung mit einem Fahrzeugrad (13) gebildet wird, wobei als Mittel zur Kompensation der Schwingbewegung ein Schwingungsdämpfer (9) angeordnet ist, der einen Zylinder (35) umfaßt, in dem eine Kolbenstange (37) axial beweglich ausgeführt ist, wobei der Schwingungsdämpfer zum Fahrzeugaufbau (11) oder zum Fahrzeugrad (13) über ein Stiftgelenk (39; 41) verbunden ist und der Aktuator (3) über das Stiftgelenk (39; 41) permanent eine Relativbewegung der Kolbenstange (37) zum Zylinder (35) einleitet, um Losbrechmomente der Kolbenstange (37) zu einer Kolbenstangendichtung zu minimieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Aktuator entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Bei Schwingungen am Fahrzeug treten in der Regel Geräusche auf, die den Fahrkomfort beträchtlich beeinflussen. Die Ursachse dieser Geräusche sind Schwingungen bewegter Massen, beispielsweise der Räder mit den Achsteilen oder Teile des Antriebsstranges. Bisher hat man in der Praxis zwei Wege beschritten. Die technisch anspruchloseste Lösung liegt darin, daß man die Geräusche einfach zum Fahrgastraum abdämmt. Bei hochfrequenten Schwingungen kommt man mit relativ dünnen Dämmstoffen aus Brummfrequenzen sind deutlich schwieriger zu beherrschen.
  • Als weitere Möglichkeit wird versucht, eine Schwingung als Bewegung zu bedämpfen. Dazu werden Schwingungsdämpfer an den betroffenen Bauteilen appliziert. Diese Methode bekämpft für einen schmalen Störfrequenzbereich die Schwingungen. Man ist aber gezwungen, daß wesentliche andere technische Forderungen, wie beispielsweise der ausreichende Bodenkontakt der Räder, Einhaltung eines Abrollkomforts beim Fahrwerk oder Vermeidung von Lastwechselschlägen bei einer Fahrzeugkupplung eine hohe Priorität bekommen, so daß das Bestreben nach Vermeidung von Geräuschen aufgrund von Schwingungen sicherlich in die Auslegung der Komponenten einfließt, aber aufgrund technischer Gegebenheiten nicht immer ausreichend gelöst werden kann.
  • Es soll auch schon Verfahren geben, die sich aber noch im Versuchsstadium befinden, bei denen ein Geräusch erfaßt und analysiert wird. Mittels Lautsprecher versucht man ein „Gegengeräusch" zu erzeugen, das das ursächliche Geräusch kompensiert. Auch bei diesem Verfahren werden lediglich die Symptome behandelt, aber nicht die Ursachen.
  • Aus der DE 38 21 368 C2 ist eine schwingungsdämpfende und schwingungskompensierende Lagerung für einen in einem Kraftfahrzeug angeordneten und gelagerten schwingenden Körper bekannt, in der als Stellglied zur Kompensation der Störschwingungen ein den umgekehrten piezo-elektrischen Effekt ausnutzendes Bauteil enthalten ist.
  • In der EP 0 470 064 B1 wird ebenfalls im Rahmen einer Motorblocklagerung ein piezoelektrisches Element zur aktiven Körperschallminderung eingesetzt.
  • Aus der Fachliteratur "Fahrwerktechnik 3", Jörg Reimpell Vogelverlag, Ausgabe 1974, ist ein Stiftgelenk bekannt, das aus jeweils einer Gummischeibe ober- und unterhalb einer Anlenkstelle besteht. Ein Führungsstift durchdringt die Gummischeiben und spannt diese gegeneinander vor.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Geräusche, die von schwingenden Bauteilen erzeugt werden, zu minimieren und im Zusammenhang mit einem Fahrwerk den Abrollkomfort zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Patentanspruch 1 gelöst.
  • Ziel der Steuerung ist es, daß Frequenzen vor allem im Bereich von 0.05 bis 10 kHz im Fahrgastraum eliminiert werden. Man nutzt die Dehnungs- und Verkürzungsfähigkeit des Aktuators aus und erzeugt praktisch der Schwingbewegung gleichgerichtete Gegenbewegungen, die die eigentliche Schwingbewegung kompensieren, so daß die Schwingbewegungen nicht auf weitere Bauteile übertragen werden. Im Gegensatz zu den beschriebenen Methoden aus dem Stand der Technik wird die Ursache der Geräuschentwicklung behoben. Ein wesentlicher Vorteil eines Piezoaktuators liegt darin, daß keine Massen bewegt werden müssen. Das System kann daher auch sehr schnell, praktisch in Echtzeit arbeiten. Des weiteren sind durch die masselose Wirkung keine Verluste zu berücksichtigen.
  • Mit dem eingesetzten Aktuator wird nicht nur die akustische Belastung verringert, sondern kann auch ein schwingungsdämpferspezifisches weiteres Problem minimiert werden. Bei Schwingungsdämpfer ist es schon lange bekannt, daß eine gewisse Losbrechkraft notwendig ist, um den Schwingungsdämpfer wirken zu lassen. Diese Losbrechkraft wird praktisch von den Dichtungen im Schwingungsdämpfer erzeugt, deren Haftreibung für die Schwingungsbewegung überwunden werden muß.
  • Je nach Anwendung kann es notwendig sein, daß ein besonders großer Stellweg von dem Aktuator ausgeführt werden muß. Dazu besteht der Aktuator aus mehreren Piezoelementen, die einfach geschichtet angeordnet sind. Diese geschichtete Anordnung bietet die Möglichkeit, daß eines von den Piezoelementen gleichzeitig einen Schwingungserfassungssensor darstellen kann. Man taktet einfach den Meßzyklus so klein, daß von dem Piezoelement abwechselnd ein Stellweg und ein Meßsignal bereitgestellt wird. Bei geschichteten Piezoelementen kann man auch sogenannte Multilayer-Piezoelemente einsetzen. Diese bestehen aus Piezofolien, die mittels einer aufgedampften Schicht getrennt und über einen gemeinsamen elektrischen Anschluß versorgt werden. Diese Technologie bringt erhebliche Vorteile hinsichtlich der aufzuwendende elektrischen Spannung mit sich.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingungserfassungssensor mit einem Regler verbunden, der in Abhängigkeit der aufgefaßten Schwingbewegung eine Stellspannung für das/die Piezoelement(e) bestimmt. Um die Wirkung des Aktuators auf die vorgesehene Geräuschbelastung besser abstimmen zu können, wirkt der Regler mit einem Filter zusammen, der auf ein bestimmtes Frequenzband eingestellt ist. Dieses Filter kann als ein elektronisches Bauteil aber auch in Softwareform ausgeführt sein.
  • Piezoelemente sind relativ teuer, so daß für eine wirtschaftliche Anwendung eines Piezoelementes die notwendige Anzahl eine besondere Bedeutung hat. Um dieser Anforderung zu genügen, wirkt der Aktuator mit einer Übersetzungseinrichtung zusammen, die den Schwingungsweg des Aktuators vergrößert, so daß ggf. weniger Piezoelemente eingesetzt werden müssen.
  • Bei einer Ausführungsform besteht die Übersetzungseinrichtung aus einem Stufenkolben in Verbindung mit einem in einem Stellzylinder eingeschlossenen Druckübertragungsmedium. Alternativ ist eine Übertragungseinrichtung denkbar, die aus einem Hebelgestänge besteht.
    •
  • Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
  • Es zeigt:
  • 1 Fahrzeug mit Darstellung der Anwendungsmöglichkeiten
  • 2–4 Prinzipielle Ausgestaltungen der Erfindung bei einem Schwingungsdämpfer
  • Die 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1, wobei sich die Darstellung der Komponenten nur auf die zur Erfindung gehörenden Teile beschränkt. In dieser Fig. sind zwei Anwendungsmöglichkeiten für einen Aktuator 3, 5 in Form eines Piezoelementes 7 (s. 2–4) offenbart, wobei die detailliertere Beschreibung zu den nachfolgenden Figuren vorgenommen wird.
  • Die erste Anwendung bezieht sich auf einen Schwingungsdämpfer 9 zwischen einem Fahrzeugaufbau 11 und einem Rad 13 mit beweglichen Achsteilen. Der Fahrzeugaufbau stellt eine Masse m1 und das Rad mit den beweglichen Achstei len eine Masse m2 dar. Während der Fahrt wird das Rad in Abhängigkeit einer nicht dargestellten Fahrbahnoberfläche zu dem Fahrzeugaufbau in eine Schwingbewegung versetzt, da zwischen dem Rad und dem Fahrzeugaufbau eine Feder 15 angeordnet ist. Diese Feder hat nur die Aufgabe die auftretenden Stöße auszugleichen. Die Bedämpfung der Bewegung übernimmt der Schwingungsdämpfer 9. Bei der Schwingbewegung auftretende Kräfte stützen sich am Fahrzeugaufbau ab, der mit seinen Hohlräumen, beispielsweise den Innenkotflügeln, große Resonanzräume bildet, die die gedämpften Schwingbewegungen des Fahrzeugeinzelteils zu einem Geräusch werden lassen. Angrenzende Bauteile leiten dann das Geräusch in den Fahrgastraum. Von der Geräuschbelastung als besonders unangenehm wird eine rauhe Fahrbahnoberfläche empfunden. Dabei wird das Rad hochfrequent bewegt.
  • Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für einen Aktuator in Form eines Piezoelementes ist beim Antriebsstrang eines Kfz zu sehen. Die angetriebenen Teile des Motors, Kurbelwelle 17 mit Schwungrad, bilden in Summe eine Masse m3. Zwischen einem nicht dargestellten Getriebe und der Masse m3 ist eine Fahrzeugkupplung 19 als Schalt- und Anfahreinrichtung angeordnet. Die bewegten Getriebeteile sowie Antriebswellen 21 von der Kupplung bis zu den angetriebenen Rädern bilden eine Masse m4. Zur Kompensation von Schwingungen im Antriebsstrang aufgrund von an sich bekannten Ungleichförmigkeiten des Motors ist die Fahrzeugkupplung mit Torsionsdämpferelementen 23 ausgestattet. Diese Torsionsdämpferelemente sind in der Regel Federn, die durch eine Reibeinrichtung 25 (s. 6) in ihrer Schwingbewegung bedämpft werden. Bei dieser Anwendung ist die Fahrzeugkupplung mit einem Aktuator in Form von Piezoelementen 7 bestückt.
  • Bei beiden Anwendungsmöglichkeiten ist der Aktuator mit einem Regler 27 verbunden, der aufgrund einer von einem Sensor 29 gemessenen Schwingung mit einem Schwingungssignal IS eine Stellspannung UR an den Aktuator abgibt, wobei das Piezoelement von der Stellspannung in eine Längenänderungsbewegung versetzt wird, die der Schwingungsbewegung mindestens einer der Massen m1 und m2 bzw. m3 und m4 kompensierend entgegenwirken. Zur Aufbereitung des Signals ist dem Regler ein Filter 31 beigeordnet, das auf eine bestimmte Durchlaßfrequenz eingestellt ist. Das Filter kann als ein separates elektronisches Bauteil oder in Softwareform im Regler ausgeführt sein. Das ganze System ist an das elektrische Bordnetz 33 des Kraftfahrzeuges angeschlossen.
  • Die 2 zeigt den Schwingungsdämpfer 9 als Einzelteil, wobei der Schwingungsdämpfer einen Zylinder 35 umfaßt, in dem eine Kolbenstange 37 axialbeweglich angeordnet ist. Der Zylinder und die Kolbenstange verfügen über Anschlußorgane 39; 41 für den Fahrzeugaufbau 11 sowie zum Rad bzw. zu den Achsteilen. Die Feder 15 stützt den Fahrzeugaufbaus 11 an den Rädern und ermöglicht eine Schwingbewegung zwischen diesen Massen m1 und m2. An dem Anschlußorgan zum Fahrzeugaufbau ist der Aktuator 3 mit seinen Piezoelementen montiert. Die 2 umfaßt zwei Ausführungsformen hinsichtlich der Anordnung des Aktuators am Schwingungsdämpfer. In beiden Fällen ist das Anschlußorgan als ein Stiftgelenk ausgeführt, so daß die Piezoelemente auf die Kolbenstange bzw. den Zylinder aufgefädelt werden können. Die Verwendung mehrerer Piezoelemente steigert beträchtlich den Schwingweg des Aktuators. Praktisch ist der Aktuator in Reihe zum Schwingungsdämpfer angeordnet und wird von der Reglerspannung UR selbst in Schwingungen versetzt, wodurch die Masse m2 schwingungstechnisch von der Masse m1 getrennt wird.
  • Bei der Ausführungsform mit dem Aktuator an der Kolbenstange wird die Kolbenstange praktisch permanent relativ zum Fahrzeugaufbau bewegt. Dabei kann die Kolbenstange kaum in Haftreibung zu einer nicht dargestellten Kolbenstangendichtung treten. Folglich sind Losbrechmomente für die Kolbenstangenbewegung weitestgehend ausgeschlossen.
  • Alternativ läßt sich der Aktuator auch zwischen dem Fahrzeugrad und dem Schwingungsdämpfer anordnen (s. untere Anordnung). Die Wirkung des Piezoelementes ist identisch mit der Ausführung an der Kolbenstange. Es liegen aber deutliche Unterschiede im Schwingungsverhalten des Systems Fahrzeugrad-Schwingungsdämpfer-Fahrzeugaufbau vor.
  • Bei der unteren Ausführung wird die Schwingbewegung von dem Fahrzeugrad auf das Anschlußorgan 41 übertragen. Der Aktuator 3 ist zwischen dem Fahrzeugrad und dem Zylinder 35 zwischengeschaltet. Es liegen strenggenommen vier schwingungsfähige Massen vor. Zum einen schwingt das Fahrzeugrad aufgrund der Anregungen der Fahrbahnoberfläche. Diese Schwingbewegung würde auf den Zylinder 35 übertragen, wenn der Aktuator die Schwingbewegung nicht kompensieren würde, in dem er sich bei einer Einfederungsbewegung axial verkürzt und bei einer Ausfederungsbewegung axial ausdehnt. Bei den hochfrequenten Anregungen mit geringer Amplitude bleibt der Zylinder bezogen auf die Kolbenstange durch die Kompensationsbewegung, siehe Pfeilsymbole, des Aktuators in Ruhelage. In der Wirkung wird die Radbewegung vom Zylinder 35 isoliert. Der Fahrzeugaufbau ist damit an der Schwingbewegung des Fahrzeugrades nicht mehr beteiligt, da keine Kräfte auf den Fahrzeugaufbau übertragen werden. Deshalb kann der Fahrzeugaufbau keine Geräusche aufgrund dieser Störeinflüsse erzeugen.
  • Der Schwingungserfassungssensor 29, wie er zu 1 beschrieben ist, kann als ein akustischer Sensor, aber auch als ein Bewegungssensor ausgeführt sein. Bei der Verwendung mehrerer Piezoelemente kann bei einer entsprechenden Taktzeit ein Piezoelement abwechselnd Stellglied oder Schwingungserfassungssensor sein, der das Signal IS für den Regler 27 bereitstellt.
  • In der 3 wird eine Lösung für ein weiteres Problem dargestellt. Piezoelemente sind sehr teuer, so daß der Einsatz bei einem relativ günstigen Massenartikel, wie einem Schwingungsdämpfer nicht so nahe liegt. Folglich ist die Anzahl der Piezoelemente möglichst zu begrenzen, womit aber auch der Stellweg verringert wird. Um aber trotzdem einen ausreichend großen Stellweg zu erzielen, ist der Aktuator mit einer Übertragungseinrichtung 43 verbunden, die einerseits am Aktuator und andererseits zwischen den beiden Massen m1 und m2 bzw. Fahrzeugaufbau 11 und Schwingungsdämpfer 9 am Stiftgelenk angreift. Die Übertragungseinrichtung besteht aus einem Hebelgestänge, wobei die Hebellänge für den Aktuator bis zum Drehpunkt 45 deutlich kürzer ist als die Hebellänge vom Drehpunkt bis zum Stiftgelenk. Die Hebellängenverhältnis stellen ein Überset zungsverhältnis dar, das man entweder dafür benutzen kann, um einen besonders großen Stellweg ausführen zu können oder die Anzahl der Piezoelemente zu verringern.
  • Die 4 ist bis auf die Übersetzungseinrichtung 43 identisch mit der 3. Abweichend kommt als Übersetzungseinrichtung ein Stufenkolben innerhalb eines Stellzylinders 47 zur Anwendung. Der Aktuator wirkt auf einen ersten Kolben 49, der eine relativ große Druckfläche aufweist. Rückseitig wird der erste Kolben von Druckübertragungsmedium 51 beaufschlagt, das wiederum auf einen zweiten Kolben 53 mit kleinerer Druckfläche wirkt. Der kleine Kolben wirkt auf den Fahrzeugaufbau 11, so daß eine Verspannungskette zwischen dem Schwingungsdämpfer 9, den Piezoelementen 7, dem ersten Kolben 49, dem Druckübertragungsmedium 51 und dem zweiten Kolben 53 mit dem Fahrzeugaufbau 11 vorliegt. Das Übersetzungsverhältnis errechnet sich aus den Verhältnissen der Quadratdurchmesser der Kolben 49; 53 zueinander.

Claims (8)

  1. Anordnung zweier relativ zueinander schwingbeweglicher Massen, wobei zwischen den Massen Mittel zur Kompensation der Schwingbewegung angeordnet sind und den Mitteln zur Kompensation der Schwingbewegung mindestens ein Aktuator beigeordnet ist, der aus mindestens einem ansteuerbaren Piezoelement besteht dadurch gekennzeichnet, daß die eine Masse (m1) von einem Fahrzeugaufbau (11) und die andere Masse (m2) von Achsteilen in Verbindung mit einem Fahrzeugrad (13) gebildet wird, wobei als Mittel zur Kompensation der Schwingbewegung ein Schwingungsdämpfer (9) angeordnet ist, der einen Zylinder (35) umfaßt, in dem eine Kolbenstange (37) axial beweglich ausgeführt ist, wobei der Schwingungsdämpfer zum Fahrzeugaufbau (11) oder zum Fahrzeugrad (13) über ein Stiftgelenk (39; 41) verbunden ist und der Aktuator (3) über das Stiftgelenk (39; 41) permanent eine Relativbewegung der Kolbenstange (37) zum Zylinder (35) einleitet, um Losbrechmomente der Kolbenstange (37) zu einer Kolbenstangendichtung zu minimieren.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (3; 5) aus mehreren Piezoelementen (7) besteht.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungserfassungssensor (29) mit einem Regler (27) verbunden ist, der in Abhängigkeit der aufgefaßten Schwingbewegung eine Stellspannung (UR) für das Piezoelement (7) bestimmt.
  4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator aus mehreren Piezoelementen (7) besteht, von denen eines den Schwingungserfassungssensor (29) darstellt.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (27) mit einem Filter (31) zusammenwirkt, das auf ein bestimmtes Frequenzband eingestellt ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (3) mit einer Übersetzungseinrichtung (43) zusammenwirkt, die den Schwingungsweg des Aktuators (3) vergrößert.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungseinrichtung aus einem Stufenkolben (49; 53) in Verbindung mit einem in einem Stellzylinder eingeschlossenen Druckübertragungsmedium (51) besteht.
  8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (43) aus einem Hebelgestänge besteht.
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