DE19930055A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle und Fahrzeugkomponente mit integriertem Schwingungsdämpfer - Google Patents

Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle und Fahrzeugkomponente mit integriertem Schwingungsdämpfer

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle weist ein an einer Welle (1) applizierbares Element (2) auf, das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitet und mit elektrischen Anschlüssen (3, 4) versehen ist, und einen elektrischen Schaltkreis (5) mit mindestens einem wärmedissipierenden Element (6), der mit den elektrischen Anschlüssen (3, 4) derart verbunden ist, daß in dem piezoelektrischen Element (2) erzeugte elektrische Energie zu dem mindestens einen wärmedissipierenden Element (6) geleitet wird. Weiterhin wird eine Fahrzeugkomponente vorgeschlagen, die einen solchen Schwingungsdämpfer aufweist. Die Erfindung eignet sich besonders für die Dämpfung von Schwingungen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Weilen sowie eine Fahrzeugkomponente mit integriertem Schwingungsdämpfer.
Sie eignet sich besonders für Wellen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, kann jedoch überall dort eingesetzt werden, wo Schwingungen auftreten.
Eine bekannte und stark verbreitete Maßnahme zur Minderung oder Beruhigung unerwünschter Schwingungen liegt in der Verwendung von sogenannten Tilgern, mit denen einem schwingungsfähigen System je nach Abstimmung und Anordnung des Tilgers bei bestimmten Schwingungsfrequenzen mechanisch Energie entzogen werden kann. In der Praxis werden überwiegend Feder-Masse-Schwinger mit einem Freiheitsgrad eingesetzt. Die Abstimmung des Tilgers, d. h. dessen Eigenfrequenz orientiert sich an der zu tilgenden Betriebsfrequenz. Bei einer zu Biegeschwingungen angeregten Welle kann dies beispielsweise die erste Eigenfrequenz derselben sein.
Neben ungedämpften Tilgern, mit denen sich im Idealfall bei der Abstimmungsfrequenz eine Auslöschung der unerwünschten Schwingungsamplitude erzielen läßt, kommen auch gedämpfte Tilger zum Einsatz, bei denen durch die Dämpfung Wärme erzeugt und somit Energie aus dem Gesamtsystem an die Umgebung abgeleitet wird. Mit solchen Tilgern läßt sich eine vollständige Auslöschung nicht verwirklichen. Ziel der Auslegung gedämpfter Tilger ist vielmehr, in einem möglichst breiten Frequenzbereich möglichst kleine Amplituden zu erreichen um unerwünschte Schwingungen bei beliebiger deterministischer oder auch stochastischer Erregung zu mindern.
Die Anordnung und Applizierung von mechanischen Tilgermassen gestaltet sich in der Praxis aufgrund des Raumbedarfes des zusätzlichen Schwingers oft schwierig. Überdies bedeutet die Verwendung einer Tilgermasse stets eine Vergrößerung der Gesamtmasse des schwingungsfähigen Systems. Gerade bei nicht ortsgebundenen Systemen wie Fahrzeugen ist eine solche Gewichtserhöhung unerwünscht, da sie tendenziell eine Erhöhung des Energiebedarfs zur Fortbewegung impliziert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle zu schaffen, die bei geringem Gewicht und flexibler Verwendbarkeit eine kostengünstige Möglichkeit zur Dämpfung von Schwingungen bietet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle gelöst, die ein an einer Welle applizierbares Element aufweist, das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitet und mit elektrischen Anschlüssen versehen ist, sowie einen elektrischen Schaltkreis mit mindestens einem wärmedissipierenden Element, der mit den elektrischen Anschlüssen derart verbunden ist, daß in dem piezoelektrischen Element erzeugte elektrische Energie zu dem mindestens einen wärmedissipierenden Element geleitet wird.
Piezoelektrische Elemente erzeugen bei einer Verzerrung ihrer Struktur elektrische Ladungen. Dieser Effekt wird beispielsweise zur Erfassung von Dehnungen in Drucksensoren verwendet. Im vorliegenden Fall sind jedoch die Anschlüsse des piezoelektrischen Elementes über einen wärmedissipierendes Element, z. B. einen elektrischen Widerstand miteinander verbunden, so daß die einem schwingenden System mittels des piezoelektrischen Elementes entzogene Energie nicht vollständig in das System zurückgeleitet sondern in Wärmeenergie umgesetzt wird. Dem schwingenden System wird damit Energie entzogen, was zur Folge hat, daß das Gesamtsystem gedämpft wird.
Dieser Dämpfungseffekt wird mit der vorliegenden Erfindung erstmals im Maschinen- und Fahrzeugbau eingesetzt.
Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht bei Beibehaltung der Dämpfungswirkung gegenüber mechanischen Tilgern ein deutlich geringeres Gewicht. Sie ist überdies flexibel einsetzbar, da die geringeren Abmessungen einen großen Konstruktionsfreiraum zulassen.
Zur optimalen Dämpfung bei sich verändernden Anregungsfrequenzen, z. B. der Motordrehzahl des Fahrzeuges, ist der Schaltkreis mit einer Erfassungs- und Einstellvorrichtung zur Erfassung der Anregungsfrequenz gekoppelt, welche die elektrischen Parameter des Schaltkreises, beispielsweise den elektrischen Widerstand des wärmedissipierenden Elementes, in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz verstellt. Ebenso kann die Rückführung des Signals eines piezoelektrischen Elementes in ein weiteres piezoelektrisches Element ausgedehnt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element als piezokeramische Folie zur Befestigung an einer Welle ausgebildet, so daß dieses gerade auch im Bereich stärkerer Dehnungen noch angebracht werden kann. Zudem erlaubt die Folienform eine einfache Anbringung des Piezo-Elementes in strukturkonformer Anordnung an einem Bauteil.
Vorzugsweise weist das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element mindestens einen piezokeramischen Körper auf, der oder die in eine Folie zur Befestigung an der Welle eingebettet sind, wobei jeder piezokeramische Körper über an diesem vorgesehene Anschlüsse mit dem Schaltkreis verbunden ist. Durch die der Folie innewohnende Flexibilität ergibt sich eine besonders gute Anpaßbarkeit an unterschiedlichste Einbaubedingungen, wobei die piezoelektrischen Körper selbst vergleichsweise starr ausgebildet sind. Die verschiedenen Körper erlauben in Zusammenwirkung mit einer entsprechenden Abstimmung des Schaltkreises die Optimierung für verschiedene Frequenzbereiche.
Für eine möglichst flache Bauform sind nach einer weiteren Ausführungsform der oder die piezoelektrischen Körper selbst wiederum als dünnwandige Folienstücke ausgebildet.
Vorzugsweise ist der elektrische Schaltkreis in die Folie integriert, so daß sich ein besonders einfach zu handhabendes, einheitliches Bauelement ohne anhängende Kabel und Komponenten verwirklichen läßt. Die Einzelkomponenten des Schaftkreises können in die Folie eingebettet oder in der Art einer flexiblen Platine unmittelbar an dieser angebracht sein.
In einer alternativen Ausführungsform wird der elektrische Schaltkreis als separates Bauteil unmittelbar an der Folie angebracht, wodurch ein modularer Aufbau verwirklicht wird, der zur individuellen, optimierten Anpassung an ein Schwingungsprofil die Kopplung unterschiedlicher Schaltkreise mit einem piezoelektrischen Element erlaubt oder auch unterschiedliche Verschaltungen einzelner piezoelektrischer Körper.
Für eine besonders einfache Ausführung wird der elektrische Schaltkreis allein durch einen elektrischen Widerstand zur Wärmedissipation gebildet.
Zur Optimierung des Dämpfungsverhaltens weist der elektrische Schaltkreis vorzugsweise ein auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmtes RCL-Netzwerk bestehend aus Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten auf. Prinzipiell können zur Verfeinerung auch elektronische Bauelemente verwendet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der elektrische Schaltkreis für einzelne piezoelektrische Körper oder Gruppen solcher piezoelektrischen Körper jeweils einen eigenen elektrischen Widerstand oder ein RCL-Netzwerk auf, der bzw. das mit den Anschlüssen des jeweiligen Körpers oder der jeweiligen Gruppe verbunden ist. Hierdurch läßt sich eine gegebenenfalls auch richtungsabhängige Anpassung an unterschiedliche Frequenzen verwirklichen.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Fahrzeugkomponente, insbesondere Fahrzeugwelle (1), mit integriertem Schwingungsdämpfer, die ein an der Fahrzeugkomponente im Bereich auftretender Dehnungen fest appliziertes Element aufweist, das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitet und mit elektrischen Anschlüssen versehen ist, sowie einen elektrischen Schaltkreis mit mindestens einem wärmedissipierenden Element, der mit den elektrischen Anschlüssen derart verbunden ist, daß in dem piezoelektrischen Element infolge der Dehnungen erzeugte elektrische Energie zu dem mindestens einen wärmedissipierenden Element geleitet wird.
Vorzugsweise sind hierbei das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element und der elektrische Schaltkreis wie oben beschrieben ausgebildet.
Zur effektiven Schwingungsdämpfung wird vorzugsweise das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element im Bereich der größten Schwingungsamplitude der für die Fahrzeugkomponente relevanten Eigenform angebracht.
Für einen optimalen Einsatz bei rotierenden oder nicht-rotierenden Wellen wird die Folie als hülsenartige Manschette ausgebildet, welche die Welle vollständig umgibt.
Im folgenden wird die Erfindung nun anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 ein Prizipbild einer Fahrzeugwelle mit einer integrierten, d. h. applizierten piezoelektrischen Dämpfungsvorrichtung;
Fig. 2 eine erste Eigenform einer Biegeschwingung der Welle von Fig. 1;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Dämpfungsvorrichtung;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Dämpfungsvorrichtung.
In Fig. 1 ist als Fahrzeugkomponente eine Welle 1 dargestellt, an der eine semi-passive Dämpfungsvorrichtung mit einem piezoelektrischen Element 2 und einem Schaltkreis 5 angebracht ist. Die Dämpfungsvorrichtung kann dabei wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ausgebildet sein, bei welchen der Schaltkreis 5 in unmittelbarer Nähe des piezoelektrischen Elements angeordnet ist. In Fig. 1 erfolgt die Verbindung jedoch über elektrische Leitungen zu den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen 3 und 4.
Wie sich aus dem Zusammenhang der Fig. 1 und 2 ergibt, ist die Dämpfungsvorrichtung im Bereich der größten Amplituden der ersten Biegeeigenform der Welle 1 angebracht, in dem dargestellten Beispiel einer Gelenkwelle etwa in deren Mitte. Die Dämpfungsvorrichtung kann allerdings auch für Torsionschwingungen eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt der Einsatz am Ort der größten Energiedichte.
Das piezoelektrische Element 2 ist fest mit der schwingenden Fahrzeugkomponente verbunden, z. B. durch eine geeignete Verklebung, so daß Dehnung infolge von Schwingungen auf das piezoelektrische Element übertragen werden. Dabei erfolgt eine Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, die über die Anschlüsse 3 und 4 in den elektrischen Schaltkreis 5, beispielsweise ein Netzwerk aus Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten übertragen wird. Durch die Umsetzung der elektrischen Energie in Wärme an diesen elektrischen Komponenten kann dem Gesamtsystem Energie entzogen werden, wodurch an der schwingenden Fahrzeugkomponente ein Dämpfungseffekt bewirkt wird.
Prinzipiell ist es auch möglich, durch geeignete Frequenzabstimmung der elektrischen Komponenten, die als Schwingkreis geschaltet werden können, Energie gegenphasig in das piezoelektrische Element 2 zurückzuführen um so bestimmte Frequenzen zu tilgen.
Die Abstimmung des elektrischen Schaltkreises 5 erfolgt aufgrund der Eigenfrequenz des betreffenden Bauteils und der elektrischen Kapazität des piezoelektrischen Elementes 2. Zur Dämpfung eines weiten Frequenzbandes wird ein Netzwerk aus Widerstand und Kapazität verwendet, wobei die Kapazität allein bereits durch das piezoelektrische Element 2 bereitgestellt werden kann. Zur Dämpfung bestimmter Frequenzen wird ein Netzwerk aus Widerstand, Induktivität bzw. Spule und Kapazität verwendet, wobei wiederum die Kapazität bereits allein durch das piezoelektrische Element 2 bewirkt werden kann.
Bei dem in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element 2 als piezokeramische Folie 10 ausgebildet, die fest auf der Welle 1 appliziert ist.
Die Größe der verwendeten Folie hängt stark von der Geometrie des betreffenden Bauteiles ab. Die Folie wird dementsprechend jeweils an das Bauteil angepaßt, z. B. an den Krümmungsradius desselben. Weiterhin können auch mehrere separate Folien zusammengeschaltet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 weist das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element 2 mehrere piezokeramischen Körper 21 auf. Beispielhaft sind hier drei Körper dargestellt, die in eine Folie 20 zur Befestigung an der Welle 1 integriert oder eingebettet sind. Die piezoelektrischen Körper 21 selbst sind wiederum als dünnwandige Folienstücke ausgebildet, so daß sich eine flache Bauform ergibt, d. h. der Wellendurchmesser nicht erheblich vergrößert wird.
Die in Verhältnis zur flexiblen Einbettungsfolie vergleichsweise starren Folienstücke erstrecken sich dabei entlang der Welle 1 in deren Längsrichtung, wobei die Folie in der Art einer Manschette um die Welle gelegt ist. Durch eine entsprechende Segmentierung der piezoelektrischen Körper läßt sich eine an die jeweiligen Stukturbedingungen gute Anpassung der Dämpfungsvorrichtung erreichen, die in einer Weise flächig bleibt, wie sie mit herkömmlichen Tilgermassen nicht möglich ist.
Dabei ist jeder piezokeramische Körper 21 über an diesem vorgesehene elektrische Anschlüsse 23, 24 mit dem Schaltkreis 5 verbunden, der hier als RCL-Netzwerk 25 ausgebildet ist. Prinzipbedingt wird eine elektrische Kapazität stets durch das piezoelektrische Element 2 bereitgestellt, die wie in Fig. 4 gezeigt, um eine zusätzliche Kapazität ergänzt werden kann. Anstelle des RCL-Netzwerke kann auch ein einzelner elektrischer Widerstand geschaltet werden. Als elektrische Elemente werden hier auch elektronische Komponenten verstanden, die gleichfalls in den Schaltkreis zu einer feineren oder auch an sich verändernde Bedingungen anpassenden Frequenzabstimmung eingebaut werden können.
Das Netzwerk 25 ist ebenfalls in die Folie 20 integriert oder eingebettet so daß sich ein einheitliches Bauteil ergibt, das als ein Stück einfach und ohne weitere Maßnahmen an die zu dämpfende Stelle angeklebt wird. In Unterschied zu Fig. 1 müssen hier keine weiteren elektrischen Leitungen mehr verlegt und befestigt werden.
Der elektrische Schaltkreis kann für einzelne piezoelektrische Körper 21 oder Gruppen solcher piezoelektrischen Körper jeweils einen eigenen elektrischen Widerstand oder einen eigenen RCL-Netzwerk 25 versehen werden, der bzw. das mit den Anschlüssen 23, 24 des jeweiligen Körpers 21 oder der jeweiligen Gruppe verbunden ist. Fig. 4 zeigt hier beispielhaft die Zusammenfassung mehrerer Körper 21 zu einer Gruppe. Durch eine individuelle Kopplung einer solchen Gruppe lassen sich auch unterschiedliche Frequenzbereiche gut dämpfen. Auch können so Richtungsabhängigkeiten besser berücksichtigt werden.
Das in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 4 dargestellten dadurch, daß der elektrische Schaltkreis unmittelbar an der Folie angebracht ist. Die einstückige Bauweise bleibt so erhalten. Dabei kann jedoch der elektrische Schaltkreis 5, hier als elektrischer Widerstand 7 ausgebildet, aufgrund der Modularbauweise einfach ausgetauscht werden. Neben einer verbesserten Wartungsfreundlichkeit kann durch eine Normierung der Anschlüsse ein Baukastensystem bereitgestellt werden, das eine individuelle Frequenzoptimierung bei Verwendung gleicher piezoelektrischer Elemente 2 erlaubt. Dieses System kann durch weitere piezoelektrische Elemente ausgebaut werden.
Zur optimalen Dämpfung bei sich verändernden Anregungsfrequenzen, z. B. der Motordrehzahl des Fahrzeuges, wird eine Vorrichtung zur Erfassung der Anregungsfrequenz vorgesehen. Anhand der erfaßten Anregungsfrequenz werden dann die elektrischen Parameter des Schaltkreises, beispielsweise der elektrische Widerstand des wärmedissipierenden Elementes, automatisch in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz eingestellt. Ebenso kann die Rückführung des Signals eines piezoelektrischen Elementes in ein weiteres piezoelektrisches Element ausgedehnt werden um.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Welle
2
piezoelektrisches Element
3
erster elektrischer Anschluß
4
zweiter elektrischer Anschluß
5
elektrischer Schaltkreis
6
wärmedissipierendes Element
7
elektrischer Widerstand
10
piezokeramische Folie
20
Folie
21
piezokeramischer Körper
23
erster elektrischer Anschluß
24
zweiter elektrischer Anschluß
25
RCL-Netzwerk

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle, gekennzeichnet durch ein an einer Welle (1) applizierbares Element (2), das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitet und mit elektrischen Anschlüssen (3, 4) versehen ist, und durch einen elektrischen Schaltkreis (5) mit mindestens einem wärmedissipierenden Element (6), der mit den elektrischen Anschlüssen (3, 4) derart verbunden ist, daß in dem piezoelektrischen Element (2) erzeugte elektrische Energie zu dem mindestens einen wärmedissipierenden Element (6) geleitet wird.
2. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (5) mit einer Erfassungs- und Einstellvorrichtung zur Erfassung einer Anregungsfrequenz gekoppelt ist, welche die elektrischen Parameter des Schaltkreises (5) in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz verstellt.
3. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element (2) als piezokeramische Folie (10) zur Befestigung an der Welle ausgebildet ist.
4. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element (2) mindestens einen piezokeramischen Körper (21) aufweist, der oder die in eine Folie (20) zur Befestigung an der Welle eingebettet sind, wobei jeder piezokeramische Körper (21) über an diesem vorgesehene Anschlüsse (23, 24) mit dem Schaltkreis verbunden ist.
5. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die piezoelektrischen Körper (21) selbst wiederum als dünnwandige Folienstücke ausgebildet sind.
6. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis (5) in die Folie (10, 20) integriert ist.
7. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis (5) unmittelbar an der Folie (10, 20) angebracht ist.
8. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis (5) durch einen elektrischen Widerstand (7) zur Wärmedissipation gebildet wird.
9. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis (5) ein auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmtes RCL-Netzwerk aufweist.
10. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis (5) für einzelne piezoelektrische Körper (21) oder Gruppen solcher piezoelektrischen Körper jeweils einen eigenen elektrischen Widerstand (7) oder ein RCL-Netzwerk (25) aufweist, der bzw. das mit den Anschlüssen (23, 24) des jeweiligen Körpers (21) oder der jeweiligen Gruppe verbunden ist.
11. Fahrzeugkomponente, insbesondere Fahrzeugwelle (1), mit integriertem Schwingungsdämpfer, gekennzeichnet durch ein an der Fahrzeugkomponente im Bereich auftretender Dehnungen fest appliziertes Element (2), das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitet und mit elektrischen Anschlüssen (3, 4) versehen ist, und durch einen elektrischen Schaltkreis (5) mit mindestens einem wärmedissipierenden Element (6), der mit den elektrischen Anschlüssen (3, 4) derart verbunden ist, daß in dem piezoelektrischen Element (2) infolge der Dehnungen erzeugte elektrische Energie zu dem mindestens einen wärmedissipierenden Element (6) geleitet wird.
12. Fahrzeugkomponente nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element (2) und der elektrische Schaltkreis (5) entsprechend mindestens einem der Anspüche 2 bis 10 ausgebildet ist.
13. Fahrzeugkomponente nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element (2) im Bereich der größten Schwingungsamplitude der für die Fahrzeugkomponente relevanten Eigenform angebracht ist.
14. Fahrzeugkomponente nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (10, 20) als hülsenartige Manschette die als Welle (1) ausgebildete Fahrzeugkomponente vollständig umgibt.
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