DE2346279A1 - Halbaktives system zur kontrolle der energieuebertragung durch stoss oder schwingung zwischen zwei in abstand voneinander befindlichen teilen - Google Patents

Halbaktives system zur kontrolle der energieuebertragung durch stoss oder schwingung zwischen zwei in abstand voneinander befindlichen teilen

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Description

DR.-ING. RICHARD GLAWE
MÖNCHEN
PATENTANWÄLTE
DIPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL.-PHYS. DR. WALlER MOLL
HAMBURG MÜNXHEJ
E^6279
MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 UEBHERRSTR. 20 TEL. (0811) 22 65 48
2 HAMBURG 52 WAITZSTR. 12 TEL'(0411) 89 22 55 TELEX 212921 «p«
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Halbaktives System zur Kontrolle der Energieübertragung durch. Stoß oder Schwingung zwischen zwei in Abstand voneinander befindlichen Teilen
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23Z.6279
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Das Vermeiden der Übertragung mechanischer Energie in der Form von Stössen oder Vibrationen zwischen Masse und Lager ist eine wichtige Aufgabe, besonders im Fahrzeugbau,, aber auch beim Transport empfindlicher Güter. Bauteile (Dämpfer), die als Isolator in der Übertragung von Stössen/Vibrationen wirken, liegen normalerweise zwischen Masse und Lager (Lager bedeutet hier jede Art von Aufhängung) und können sowohl kraftschlüssig als auch nur übertragend wirken. Bekannte Dämpfer lassen sich nach ihrer Funktion in zwei Gruppen unterteilen, nämlich'aktive Systeme, d.h. Dämpfer mit Energiezuführung und passive Systeme, die ohne äussere Energie ar-, beiten. Diese beiden Gruppen sind mischbar.
In der Beschreibung dieser Erfindung ist ein passiver Dämpfer eine isolierende Vorrichtung, deren Wirkung auf der Anwendung innerer Kräfte beruht. Typische Dämpfer dieser Art sind z.B. Federn oder Gewichte. Als aktiver Dämpfer gilt eine Vorrichtung die unter Zuführung von äusserer regelbarer Energie lastabhängigarbeitet.
Passive Dämpfer tragen die Last und schirmen sie im Bereich der ersten Harmonische ab. Dies führt im Bereich der zweiten, niederen Harmonischen zur verstärkten Vibration der Masse. Der Frequenzbereich wird massgeblich durch die Steigheit bzw. den Elastizitätsmodul oder die Federkennung bestimmt. Die Eigenfrequenz eines Feder/Masse - Systems ist /K/M wo K für Federkennung und M für Masse steht. Der gedämpfte Frequenz-
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bereich wird grosser als die Quadratwurzel aas 2 (- 1,414) mal Eigenfrequenz angesehen. Der passive Dämpfer ist so ausgelegt, dass die Störfrequenz oder Erregerfrequenz in diesen Bereich fällt. Da ein passiver Dämpfer sich in seiner Eigenfrequenz und deren Harmonischen aufschaukeln kann, muss mit Schäden an der Masse oder dem Dämpfer gerechnet werden. Es ist denkbar, dass aus Raumgründen ein passiver Dämpfer gar nicht eingebaut werden kann, da eine steife Konstruktion, die in ihrer Eigenfrequenz deutlich unter der Erregerfrequenz liegt, zu grossen Bauteilen führt.
Passive Dämpfer können und haben normalerweise Energie-absorbende veränderliche Eigenschaften. Diese Dämpfer erzeugen Kräfte, die als Funktion des Konstruktion und der Bewegung aufgefasst werden. Ein solcher Dämpfer ist im oder am Bereich der Störfrequenz zur Verringerung der Gefahr des Aufschaukelns vorteilhaft. Leider verschiebt sich durch das Dämpfen der Störfrequenz auch die Eigenfrequenz des Dämpfer, so dass die Anpassung eines Dämpfers ein Kompromiss bleibt.
Aktive Dämpfer sind durch eine äussere Energie zufuhr gekennzeichnet. Die regelbar zugeführte Energie vernichtet oder verringert die störenden Schwingungen oder ihre Übertragung. Durch diese Möglichkeit können, die Kräfte im Dämpfer als Funktion der Störung behandelt werden, zusammen mit dem Vorteil, der Kontrolle der Stösse oder Schwingungen. Darüber hinaus gehen statische Veränderungen ebenfalls in den kontrollierbaren Kreis ein.
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2 3.46 2 7 Γ"
Das Ergebnis, das die Eigen Frequenz des ganzen Systemes auf gewünschte Werte regelbar wird. Nachteilig ist der (unter Umständen) grosse Energiebedarf, zusätzliche Einrichtungen zur geeigneten Energieumformung, was zusätzliche Motoren, Leitungen, Pumpen, Behälter, Ventile usw. erfordert. Trotz des zusätzlichem Aufwands ist der Erfolg nicht immer befriendigend, da die Ansprechzeiten bei höheren Frequenzen, infolge der Trägheit des Kontrollmediums, relativ grosser werden. Ausserdem verlangen solche Dämpfer sorgfältige konstruktive Anpassung, eine hohe Wartungsrate und geeignete Kontrollorgane um ein instabiles Verhalten auszuschliessen. Beispiele dieser Art finden sich in: Ulson U.S. Pat. No. 2 964 272 und Legrand U.S. Pat. No. 3 447 665.
Kombinationen von passiven und aktiven Dämpfern wurden vorgeschlagen so z.B. Scharton U.S. Pat. No. 3 606 233 worin der Bereich der Betriebsfrequenz des aktiven Dämpfers so gewählt ist dass er der Resonanz des passiven Dämpfers entgegenwirkt oder sie aufhebt. ■
Der Bereich der Betriebsfrequenz des passiven Dämpfers ist so ausgelegt dass höhere Schwingungen des aktiven Dämpfers vernichtet oder verringert werden. Weil ein so gemischtes System Nachteile einer einzelnen Dämpferart teilweise beseitigt, bleibt nachteilig der Energiebedarf und der hohe Aufwand für die Umformung bestehen.
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Die verschiedensten Typen von Stossdämpfern oder Dämpfern · wurden in Aufhängungen eingebaut, trotzdem fallen alle diese Konstruktionen in den passiven Bereich, so zum Beispiel Dämp fer, deren Kennung von Hand einstellbar ist. Andere Beispiele umfassen Dämpfer, deren Kennung sich mit dem Hub verändert. Diese Art der variablen Dämpfung findet in .einem Stossdämpfer seinen weitesten Anwendungsbereich. Diese Dämpfer werden so konstruiert oder eingestellt, dass sie bestimmten Stössen/ Frequenzen mit dem Bereich ihres besten Wirkungsgrades begegnen. Der Anwendungsbereich dieser Dämpfer zur Unterdrückung von Vibrationen ist durch ihr passives Verhalten sehr eingeschränkt.
Es gibt Fälle, in denen die Kennung des Dämpfers durch das Verhalten seiner einzelnen Bauteile,' die sich an Funktionen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Lage orientieren, verändert wird. Als Beispiel dienen Wolf U.S. Pat. No. 2 405 und Dickinson U.S. Pat. No. 3 561 574. Abgesehen von den Veränderungen, die einzelne Bauteile ermöglichen, ist die Kennung solcher Dämpfer in erster Linie eine Funktion ihres inneren Aufbaus und den relativen Bewegungen zwischen den Befestigungen. Das bedeutet, dass diese Dämpfer einer direkten kontrolle der von ihnen erzeugten Kräfte nicht zugänglich sind.
Nach diesen Eindrücken ist es ein Gegenstand vorliegender Erfindung, ein verbessertes System zur Kontrolle des Kraftflusses zwischen getrennten Bauteilen zu zeigen.
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Die Anwendung erfolgt in erster Linie zwischen Stütze und Lager bzw. Träger und Aufhängung; in den Fällen, in denen eine Masse, von ihrer Aufhängung, oder umgekehrt, von Stössen und/ oder Vibrationen geschützt werden soll. Die Erfindung umfasst passive und aktive Dämpfer, die nur eine geringe äussere Energie und wenig zusätzliche geräte zum Betrieb und.Kontrolle verlangen
Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist das Verringern von Stössen und Schwingungen zwischen Masse und Lager durch Steuern der Kräfte des Dämpfers.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ein dämpfendes System, bestehend aus einem passiven Dämpfer und einem Flüssigkeitsdämpfer, regelbar unabhängig von der relativen Geschwindigkeit (der Störung) über den Dämpfer.
Zusammengefasst, das System der vorliegenden Erfindung in seinem Anwendungsbereich besteht aus einem passiven Dämpfer, kraftschlüssig zwischen Masse und Lager, der Stoss- und Schwingung sdämpfend, wenigstens im Bereich der oberen Harmonischen wirkt. Ein aktiver Dämpfer ist dazu parallel geschaltet und besitzt alle Einrichtungen zur regelbaren Steuerung des Widerstandes zwischen Masse und Lager. Der Ist-Zustand wird über geeignete Sensoren von der Stellung Masse - Lager abgenommen und mit dem Soll-Zustand verglichen. Die dabei gewonnenen Signale werden in Befehle für den (aktiven) Dämpfer umgesetzt, so dass ein geschlossener Regelkreis entsteht. Der Aufbau des
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(aktiven) Dämpfers ist entsprechend und sein Betriebsver halten ist unabhängig von dem Betrag der relativen Bewegungen über den Dämpfer.
Viele Formen von Stössen und Vibrationen können so überwacht und in Befehle für den aktiven Dämpfer übersetzt werden. Bedingungen wie: Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Position oder Kombinationen daraus können ebenfalls, relativ oder absolut, überwacht und in den Regelkreis eingegeben werden. Durch geeignetes Überwachen und Umsetzen der Signale kann das gesamte Dämpfersystem bis zu jeder gewünschten Toleranz, mit einem erträglichen Aufwand an äusserer Energie, gesteuert werden.
So ist zum Beispiel, gegenüber passiven Dämpfern allein, das System in der Lage, einen weiteren Schwingungsbereich, sowohl unter als auch oberhalb der Eigenfrequenz, zu beeinflussen, wobei die Eigenfrequenz —ohne Kompromisse an die statische Steifheit— - niederes liegt.
Einige der Neuerungen dieser Erfindung wurden bis jetzt beschrieben, weitere werden im Zusammenhang mit den entsprechenden Zeichnungen vorgestellt. Dabei ist
Abb. 1, ein Blockschaltbild des gesamten Kreises.
Abb. 2, eine teils Schematische, teils Blockdarstellung des
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Systems in einem typischen Anwendnogs-a±l.
Abb. 3, ist eine schematische Darstellung von einem herkömmlichen passiven Dämpfer
Abb. 4, ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen gemischten aktiven-passiven Dämpfersystems
Abb. 5, ist die graphische Darstellung des Schwingungsverlaufes der Systeme aus Abb. 3 und Abb. 4.
Abb. 6a und 6b ist die graphische Darstellung des Zeitverlaufes der Kräfte des Dämpfers, Kraft am System, Geschwindigkeiten und Dämpfung eines Systems nach vorliegender Erfindung,
Abb. 7 zeigt den Dämpfungsverlauf einer Anlage nach Abb. 2.
Abb. 8 ist ein graphischer Vergleich der folgenden Systeme: ein passiver Dämpfer, ein aktiv-passiv gemischtes System und ein System nach vorliegender Erfindung.
In dem folgenden Abschnitt beziehen sich die Zahlen auf die besprochenen Abbildungen. In Abb. 1 bedeutet 10 das System als ganzes. Der ganze Dämpfer 10 trägt die vor Stössen/Vibrationen zu schützende Masse 11, wobei sich der Dämpfer auf dem Lager 12 stützt, und seiner Funktion gemäss die Übertragung von mechanischer Energie zwischen verringert oder
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verhindert. Die Art, wie die Energie in das System eingebracht wird, ist nicht Gegenstand dieser Erfindung. In seiner Funktion kann der Dämpfer sowohl auf Zug als auch Druck angewandt werden. D-ie vorliegende Beschreibung bezieht sich auf System mit einem Freiheitsgrad in der Senkrechten. Die Erfindung kann ebenfalls an Systemen mit mehreren Freiheitsgraden angewandt werden. Die Erfindung kann auch in den anderen Fällen angewandt werden, in denen die Übertragung von Energie zwischen getrennten Bauteilen kontrolliert werden soll.
Der ganze Dämpfer 10 besteht aus einem passiven Dämpfer 14 und einem aktiven Dämpfer 16. In der Funktion übernimmt der passive Dämpfer völlig die Kraftübertragung, sowie die statischen Lasten innerhalb der Toleranzen. Es ist erwünscht, dass die Kennung des passiven Dämpfers so ausgelegt ist, dass sie der Eigenfrequenz der Masse entgegenwirkt. Die Auslegung dieser Kennung bestimmt.in hohem Masse die Art in welcher der aktive Dämpfer gesteuert werden muss. Jedenfalls muss der passive Dämpfer 14 die gesamte statische Last der Masse 11 übernehmen, das bedeutet, dass der passive Dämpfer 14 sowohl kraftschlüssig als auch dämpfend an der Masse 11 wirkt. Der Bereich der Schwingungsdämpfung muss sich deutlich von der Eigenfrequenz des ganzen Systems 10 unterscheiden.
Die meisten der passiven Dämpfer, z.B. Flüssigkeitsdämpfer, arbeite in Abhängigkeit von der Energiebewegung durch den
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Dämpfer. Ein solcher Dämpfer hat den Vorteil der Verringerung der Magnitude der Erregerfrequenz; nachteilig ist die geringere Dämpfungskapazität in dem zu■dämpfenden Bereich. In Obereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist es günstiger, die Kennung des passiven Dämpfers 14 so auszulegen dass die Bestwerte in seinem Arbeitsbereich liegen. Der aktive Dämpfer 16 ist parallel zu dem passiven Dämpfer 14 zwischen Masse 11 und Lager 12 geschaltet. Dadurch erfährt er die gleichen Bewegungen wie Dämpfer 14. Der aktive Dämpfer ist, unabhängig von seinen Bewegungen, von aussen in seiner Kennung regelbar. Durch diese Art der Steuerung werden (im Dämpfer) gesteuerte Gegenkräfte erzeugt, die, zusammen mit dem passiven Dämpfer 14, die Kennung des System 10 regelbar machten.
Aktive Dämpfer 16 können in ihrem Aufbau verschieden sein, so sind z.B. Ausführungen als Flüssigkeits-, Elektro-flüssigkeits-, Reibungs- oder elektrisch-mechanische und andere Ausführungen, in Verbindung mit dieser Erfindung möglich. Die Art der Steuerung und die Ausführung der aktiven Dämpfer 16 ist nicht nur von dem Betrag der Dämpfer abhängig sondern auch von dem inneren Aufbau und Wirkungsgrad. Zum Beispiel sind die meisten Flüssigkeitsdämpfer von dem Ströitu.ngsverhalten oder/und dem Betrag der relativen Bewegung abhängig. Um einen solchen Dämpfer zufriedenstellend regeln zu können muss bereits in der Konstruktion auf seinen inneren Aufbau und Eigenschaften Rücksicht genommen werden, damit ein zufriendenstellend funktionfähiges System 10 nach dieser Erfindung entsteht. Dieser Gesichtspunkt
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(des Strömungsverhaltens) kann durch entsprechende Konstruktion des Flussigkeitsdämpfers und/oder seiner Regeleinrichtung vernachlässigt oder genitigend ausgeglichen werden. Das Verhalten eines Reibungsdämpfers dagegen ist ausgenommen unter extremen Bedingungen, weitgehend unabhängig von Grosse der Geschwindigkeit oder Anzahl der Bewegungen über den Dämpfer.
Die Sensoren 18 werden sowohl an der Masse 11 als auch an der Stütze 12 angebracht und überwachen dauernd verschiedene änderbare Zustände, die Stösse oder Vibrationen anzeigen, wie Lage, eschwindigkeiten, Beschleunigungen. Je nachdem, ob relativ oder absolut überwacht wird, kann unter Umständen ein Sensor ausreichen. Selbstredend werden entsprechende Übertragungsglieder (nicht gezeigt) zwischen Masse 11 und Stütze 12 angebracht, um zum Beispiel relative Geschwindigkeitsveränderung zu überwachen.
Weiterhin können mehrere Zustände gleichzeitig überwacht werden. Die Hauptaufgabe der Sensoren 18 ist die ständige Überwachung eines Zustandes oder Zustände und die dauernde Erzeugung von vergleichenden Soll - Ist Signalen.
Die Sensoren 18 sind mit einer Signalüberwachung 20 verbunden, die Signale der Sensoren 18 empfängt. Die Signalüberwachung verarbeitet die eingehenden Sensorsignale in geeigneter bestimmter Weise zu Befehlen oder Regelanweisungen, welche dem aktiven Dämpfer 16 mitgeteilt werden, so dass dessen Dämpfungs-
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eigenschaften oder Kräfte für relative Bewegung über den Dämpfer 16 mit denen des passiven Dämpfers 14 zusammenarbeiten. um die Übertragung von Stössen oder Vibrationen der Masse 11 oder Stütze 12, besonders in dem gefährdeten (Eigen) Frequenzbereich des Dämpfers 14, zu verringern. Unter Bezug auf Abb. wird eine Einbaumöglichkeit des Dämpfungssystems 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein passiver Dämpfer 24 der auch mit einer Ausgleichskammer 25 versehen sein kann, ist kraftschlüssig zwischen Masse 11 und Lager 12 eingebaut. [Wie bereits erwähnt ist es vorteilhaft, dass ein solcher passiver Dämpfer als so steif angesehen werden soll, als ob Feder 24 ungedämpft wäre].
Ein aktiver Flüssigkeitsdämpfer, allgemein mit 26 bezeichnet, sei parallel mit der Feder 24 zwischen Masse 11 und Stütze 12 geschaltet. Dieser aktive Flüssigkeitsdämpfer 26 besitzt eine Kolbenstorage 27, die den Kolben 28 mit der Masse 11 verbindet. Der Kolben 28 befindet sich in einem Behälter oder Zylinder 29 und ist dicht an der Zylinderwand anliegend, so dass zwei Räume 29a und 29b ergeben. Das untere Ende des Zylinders 29 ist mit dem Lager 12 verbunden. Der Kolben 28 gleitet in Längsachse von ZyI. 29, als folge einer Bewegung, relativ zwischen Masse 11 und Stütze 12, was eine Veränderung des Kammervolumens von 29a und 29b zur Folge hat.
Der ZyI. 29 ist mit einem geeigneten Medium, wie zum Beispiel Öl oder Gas, gefüllt. Normalerweise muss ein Tank, bzw. Sammler
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30 in Verbindung mit ZyI.29 zur Aufnahme des durch die Kolbenstange 27 beim Eintauchen in ZyI. 29 verdrängten Volumens vorgesehen werden. Dieser Sammler kann innen-oder aussenliegend vorgesehen werden. Der Sammler 3 0 kann entfallen, wenn die Kolbenstange 27 durch den ganzen ZyI. 29 geführt wird, wobei die Bewegung des Kolbens 28 nicht den Gesamtinhalt des Kolbens verändert.
Die Kammern 29a und 29b sind flüssigkeitsführend über zwei parallele (Leitungen und) Einweg ventile 31 und 32 verbunden. Genauer, die Einlassseite von Ventil 31 ist mit einem T-förmigen Flansch 33 mit der Kammer 29 verbunden. Die Auslassseite von Ventil 3 3 ist [über geeignete Leitungen] mit Kammer 29b verbunden. In gleicher Weise ist die Kammer 29a über Leitung 36 mit der Einlassseite Ventil 32 verbunden. * Jedes Schrägsitzventil 31 und 32 besitz ein passives Federelement 31a und 32a normalerweise einseitig (feder) belastet und dadurch geschlossen. Diese Anordnung erlaubt den Betrieb der Ventile nur in einer Durchgangsrichtung, wie die Richtungspfeile anzeigen (Abb. 2). Weiterhin enthalten die Ventile je eine vorgespannte Steuereinheit 37 und 38 zur Regelung der Druckseite oder Steuerung (des Durchsatzes) in Flussrichtung. Eine entsprechende Darstellung des Einlass/Auslassverhaltens ist neben der Abb. 2 rechts unten. Darin ist die Drosselung der Ventile bestimmend für die Dämpfung und so der Kraft, erzeugt im Dämpfer 26. Die Steuereinheiten 37 und 38 erhalten ihre Befehle aus den Schaltern 39 und'40. Das Verhältnis von anliegender Spannung/ausgehender
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Spannung an den Schaltern 3 9 und 4 0 wird so dargestellt, dass anliegende Spannung waagerecht, ausgehende Spannung senkrecht liegt.
Ein Beschleunigungsmesser 41 für dauernde Überwachung der absoluten Beschleunigung ist an der Masse 11 angebracht- Das gewonnene Signal wird zu dem Vorschalter allgemein mit 50 bezeichnet, geleitet, in dem eine geeignete Verarbeitung wie Verstärken, 51 Mischen 51 stattfindet und das Signal zu dem Übertrager 52 weitergeleitet wird.
In dem vorliegenden Fall enthalt der Vorschalter 51 einen Verstärker und einen Mischer zur andauernden Übertragung der Sensorsignale von dem Beschleunigungsmesser 41, in einem Steuerbefehl verhältnisgleich in Grosse und Form der absoluten Geschwindigkeit von Masse 11. Falls zusätzliche Steuersignale angelegt werden, werden diese dem Übertrager 52 eingegeben, der zusammen mit den Signalen aus dem Verstärker 51 einen Steuerbefehl weitergibt. In dieser Darstellung wird der Steuerbefehl als verhältnisgleich in Grosse und Form angenommen. Dieser Steuerbefehl wird dauernd zu dem aktiven Dämpfer 26 geleitet, welcher daraufhin ständig den Durchflusswiderstand zwischen Kammer 29a und 29b steuert; dadurch kann der aktive Dämpfer veranlasst werden, eine Kraft zur Unterstützung der Kraft der Feder 24 zu entwickeln und so der Bewegung von Masse 11 entgegenwirken.
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Es ist ersichtlich, dass die dämpfende Funktion durch einen Widerstand gegen die Bewegung.von Masse 11 und Lager 12 erzeugt wird, die von der Kraft des Systems 10 entgegen der relativen Bewegung ausgeht. Abhängig von der Art der Steuerung kann der Dämpfer ebenfalls Kräfte in entgegengesetzter Richtung entwickeln. Ein typischer Fall ist die Dämpfung der absoluten Geschwindigkeit der Masse 11. Das ist, wenn die absolute Bewegung der Masse 11 entgegengesetzt der relativen Bewegung von Masse 11 und Lager 12 ist. Der Dämpfer ist dann nich in der Lage, eine der absoluten Bewegung von Masse 11 entgegengerichtete Kraft zu entwickeln. Diese Eigenschaft begrenzt die Anwendung der Erfindung, jedoch ist der Nachteil verringert zu nahe Null, da kein Widerstand unter dieser Bedingung entsteht. Diese Eigenschaft muss entweder bei der Konstruktion des Dämpfers oder seiner Regelung berücksichtigt werden. Es ist zu beachten, dass, solange Masse 11 und Lager 12 in phasengleicher Bewegung sind, wobei Lager 12 als fest angesehen wird, die Grenze der Anwendung dieser Erfindung nicht betroffen wird. Der aktive Dämpfer 26 wird begrenzt durch die erreichbare Höchstleistung, P max.; P max ist bestimmt durch die inneren Kräfte, abzüglich der algebraischen Summe der anderen Kräfte, die an der Masse wirken. Diese Grenzen werden als Randbedingungen angesehen und in der Folge besprachen.
Um den Betrieb des Dämpfers zu verstehen sei angenommen dass Masse 11 und Lager 12 sich voneinander entfernen, so dass Flüssigkeit von dem Kolben 28 aus Kammer 29a zu Kammer 29b
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erlaubt.
Es sei jetzt angenommen, dass sich Masse 11 und Lager 12 gegeneinander bewegen, so dass der Kolben 28 Flüssigkeit von Kammer 29b zu Kammer 29a drückt. Wenn die absolute Geschwindigkeit positiv oder aufwärtsgerichtet ist, wird ein positives (plus) verhältnisgleiches Signal erzeugt.
Schalter 40 und Steuereinheit 38 werden nicht angesprochen und bleiben wiederstandslos, so dass in Ventil 32, ausgenommen der Widerstand der Feder 32a, eine Strömungsveränderung eintritt, so dass freier Fluss von kammer 29b zu Kammer 29a möglich ist. Wenn die absolute Geschwindigkeit der Masse 11 negativ oder nach unten gerichtet ist, dann wird ein negatives (minus) verhältnisgleiches Signal erzeugt. Schalter 4 0 und Steuereinheit 38 regeln das Ventil 38 so ein, dass der Durchsatz von Kammer 29b über Ventil 31 und über Steuereinheit 38, Abzweigung 36, Abzweigung 35, Ventil 32, Abzweigung 35, zu Kammer 29a fliesst.
Um den Fluss von dem Sammler 30 zu erleichtern, ist der Tank parrallelzw-Lscjien Kammer 29b und Ausslassseite Ventil 32 geschaltet, Ein normales Kugelventil 31a ist zwischen Kammer 29b und Tank zur Verhinderung einer Strömung zwischen Kammer 29b unter Umgehung von Ventil 32 angebracht. Diese Massnahme verhindert ebenfalls unerwünschte Rückwirkungen, falls der Tank unter Druck steht.
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Ein gleiches Kugelventil 30b liegt in Leitung 3 6 und verhindert einen Fluss von Kammer 29a unter Umgehung von Ventil 31 zum Tank und gleichzeitig verhindert es unerwünschte Rückwirkungen vom Tank. Es ist zu erwähnen, dass nur ein geringer Druck in dem ganzen System herrscht so dass die Gefahr des Leckens als auch der Vorspannung druckseitig gering ist.
Aus dem Gesagten ist ersichtlich dass der aktive Dämpfer derartig im Betrieb ist dass die zu erzeugenden Widerstands kräfte unabhängig von der relativen Bewegung sind, ausgenommen wenn die Richtung der gewünschten Kraft unvereinbar mit der Richtung der relativen Bewegung ist. Wenn der Dämpfer 26 von Natur aus von der Grosse der relativen Bewegungen über den Dämpfer abhängig ist, kann ein Ausgleich dafür mit geeigneten Steuerorganen geschaffen werden. Es ist ebenfalls offensichtlich, dass die gesamten Eigenschaften des Dämpfers 26 weitgehend durch günstige Auswahl der Betriebsflüssigkeit, Zylinder 29 und Kolben 28 Abmessungen, sowie des Verhaltens von Schalter 39 und 40 sowie Steuereinheit 37 und 3 8 verändert werden können.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise eines dämpfenden Systems der vorliegenden Erfindung soll nochmals auf die bisher bekannten passiven und gemischt-halbaktiven Systeme eingegangen werden.
Unter Bezug auf Abb. 3, wo schematisch ein herkömmliches passives
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Dämpfer system vorgestellt ist. Es enthält eine Parallelschaltung von einer passiven Feder mit der Federrate K und einen passiven Flussigkeitsdämpfer mit dem Dämpfungs-Koeffizient 3, die beide die Masse M stützen. In der Annahme, dass Stütze und Masse ihre Lage verändern, nämlich zu X und X , die veränderliche Funktion ist dann
X MS2 + BS + K
wobei S als Laplace-Operator auftritt. Die ungedämpfte Natur oder Eigenfrequenz dieses Systems ist /K/M und das Dämpfungsverhältnis 3/2/KM. Eine übertragene Aufzeichnung eines solchen Dämpfers ist in Abb. 5 für eine ungedämpfte Eigenfrequenz und verschieden Dämpfungsverhältnisse. Ganz allgemein, die Darstellung eines rein passiven Dämpfersystems zeigt eine Dämpfung der-Masse für Frequenzen, grosser als die Quadratwurzel von zwei (1,414) mal der Eigenfrequenz (1.0) und eine Verstärkung der und nahe der Eigenfrequenz.
Es ist ersichtlich, dass die Schwingungsweite, also die Resonanzamplitude, durch das Dämpungsverhalten beeinflusst wird. Trotzdem, diese Dämpfung kann nur durch einen Verlust von Dämpfung im Bereich über der Resonanz oder Eigenfrequenz erkauft werden. Deswegen sind reine passive Dämpfersysteme ein Kompromiss.
Unter Bezug auf Abb. 4, ist ein gemischtes Dämpfungssystem, etwa entsprechend dem Vorschlag v. Scharton, et al, U.S. Pat. No. 3 606 233. Es enthält eine parallele Anordnung einer passiven Feder, mit der Federrate K und einem aktiven Isolator oder Krafterzeuger F, die die Masse M gegen ein Lager stützen. Die
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Massenbeschleunigung wird überwacht, um sin Beschleunigungssignal zu erhalten, welches verstärkt und umgesetzt wird. Das Symbol K stehr für die gewonnene Signalstärke. l/S vertritt die Integration des Beschleunigungssignals zur Geschwindigkeit und K2 vertritt den gewonnenen Betrag an Geschwindigkeit. Unter Annahme, dass X und X die Veränderlichen wären, die {transfer)
X K
Funktion solcher Bewegung ist folgende ^ = ·■ ■■
A \vx + Jv-j j Ia τ 1\oö τ Λ
wobei S der Laplace transform operator ist. Die ungedämpfte Natürliche (Eigen) Frequenz ist
/K/M + K1
und das Därapfungsverhältnis — . Die Eigenfrequenz
2/(M + K1)K kann durch geschickte Wahl von K, und K beeinflusst werden, solange die statischen Veränderungen dies erlauben. Der Wert des Dämpfungsverhältnisses kann durch geeignete Wahl von K2 gesteuert werden. Eine Aufzeichnung des Verlaufes der Dämpfungskurve einer solcher Aufhängung ist in Abb. 5 für verschiedene Dämpfungsverhältnisse. Die Aufzeichnung Abb. 5 zeigt auch die kurven rein passiver Systeme. Im Vorgliech zu dem rein passiven System bringt ein gemischtes passiv/aktives System eine Verbesserung. Diese Verbesserung liegt darin, dass das gemischte System eine grössere Dämpfung in dem zu dämpfenden Frequenz bereich des Systems bietet, gesteigerte Dämpfung bei und unter der Eigenfrequenz, ohne statische'Kompromisse zu verlangen. Trotzdem, ein aktiver Dämpfer allein oder mit passiven Dämpfern eine grosse äussere Energiequelle und umfangreiche Anlagen zur Energieumsetzung sind, wie bereits besprochen, notwendig.
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to
Das System der vorliegenden Erfindung ist dem beschriebenen ähnlich, mit der Ausnahme der Energiequelle, die hier durch den aktiven Dämpfer ersetzt, und die einzige äussere Energie diejenige ist, die zur Regelung des Betriebsverhaltens gebraucht wird.
Der Kraftbedarf dieser Anordnung für den aktiven Dämpfer ist wesentlich niederer. Um die Leistungscharakteristiken zu zeigen., wurde das vorliegende Dämpfersystem auf einem Computer simuliert. Die Simulation war gestützt auf die Modifikation der linearen Charakteristik eines gemischten Dämpfers, einschliesslich des nicht—linearen Verhaltens der zuvor beschriebenen Grenzzustände. In dem beschriebenen Beispiel war die absolute Geschwindigkeit der Masse der Grenzwert. Um zu einem Vergleich über das gemischte System zu kommen war es notwendig, den Gewinn an Beschleunigung K gleich Null zu setzen. Der Gewinn an Geschwindigkeit wurde dem Dämpfungsverhältnis angeglichen.
Um die Grenzen der vorliegenden Erfindung darzustellen, wurde das Zeitverhalten, Geschwindigkeiten aktive Dämpfer Kraft F„, und Fg für die angegebenen Frequenzen und Dämpfungsverhältnisse in Abb. 6a und 6b dargestellt. Dabei zeigt sich dass Dämpferkraft F über die Zeit zweimal keine Kraft während eines Zyklusses entwickett. Beim Vergleich der Geschwindigkeiten fällt auf, dass während die Dämpferkraft Null ist, sich die relative Geschwindigkeit über den Dämpfer, entgegen der Kraftrichtung befindet. Die Geschwindigkeit im Vergleich zur Zeit zeigt
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ebenfalls, dass die Geschwindigkeit der Masse und des Lagers während dieses Abschnittes gleich sind. Dies tritt ein, wenn äussere Kräfte die des aktiven Dämpfers übersteigen. Physikalisch bedeutet das einen total steifen Dämpfer und die erzeugte Kraft ist eine Funktion der Massenträgheit und anderer Kräfte, die an der Masse angreifen. Die Fähigkeit des Systems zu dämpfen, ist teilweise in der Darstellung "Displacement/Time" gezeigt. Geringe Dämpferwirkung ist in Abb. 6a sichtbar, ein Ergebnis des Frequenzvehältnises von 0,5. Dagegen ist bei einem Frequenzverhältnis von 1,5 eine gute Dämpfung vorhanden.
Mit Bezug zu Abb. 7 sind die Dämpfungskurven für verschiedene Dämpfungsverhältnisse der vorliegenden Erfindung aufgezeigt. Vergleiche zwischen den besprochenen Systemen sind in Abb. 8. Es wird die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf Dämpfung gegenüber den bekannten passiven Systemen deutlich und die kurven nähern sich den bekannten gemischten Systemen. Gleiche Ergebnisse wurden auch bei Zufallseingebungen erreicht. Folgerichtig stellt das semi-aktive Dämpfungssystem der vorliegenden Erfindung die vorteilhafte Verbindung von beiden, den passiven Dämpfer und des aktiven Dämpfers, ohne allerdings den nachteiligen Kraftbedarf zu haben, dar. In den Skizzen und Beschreibungen wurden die Anwendung für einen typischen Fall gezeigt und beschrieben ohne dass damit die Anwendung auf diesen Fall begrenzt sein soll.
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Claims (20)

  1. t3a tent ans pi'ücJie
    / 1)J Ein halb-aktives System zur Kontrolle des Kraftflusses zwischen zwei getrennten Teilen, wobei als typische Eigenheit eine passive Feder die beiden Teile kraftschltissig verbindet, dazu einen aktiven Dämpfer in Parallelschaltung zwischen den beiden Teilen zur Erzeugung einer gesteuerten Gegenkraft zum Widerstand gegen die relative Bewegung der beiden Teile. Dazu Sensor oder Sensoren für dauernde Überwachung und Signalerzeugung zu einem Ist-Soll-Vergleich, geignete Empfänger und Befehlsgeber zur Erzeugung und Steuerung der von dem aktiven Dämpfer zu erzeugenden Gegenkraft.
  2. 2) Ein halb-aktives System, entsprechend Abs. 1 charakterisiert durch Dämpfer, der durch Steuerbefehl regelbar eine Kraft gegen die auftretenden äusseren Kräfte, entgegengesetzt der relativen Bewegung, und keine Kraft zur relativen Bewegung, wenn die Kraftrichtung der äusseren Kraft in der gleichen Richtung wie die relative Bewegung verläuft, entwickelt.
  3. 3) Das halb-aktive System, entsprechend Abs. 1, charakterisiert durch einen Flüssigkeitsdämpfer, der auf Steuerbefehle reagiert, um eine Kraft daurnd zu erzeugen, die unabhängig von dem Betrag der relativen Bewegungen zwischen den beiden Teilen (Lager Masse) ist.
  4. 4) Das halb-aktive System, entsprechend Abs. 1, das dadurch
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    gekennzeichnet Ist., dass der Dämpfer mit Flüssigkeit arbeitet und aktiv regelbare Druckventile» die auf die genannten Befehle ansprechen, enthält, so dass eine dauernde Regelung der Bewegung zwischen den beiden Teilen '(Lager — Masse) möglich ist.
  5. 5) Ein halb-aktives System, entsprechend Abs. 1, gekennzeichnet durch aktiv kontrollierbaren Dämpfer mit dazugehörigem Behälter (Zylinder), eine Kolbenstange, verlängert durch ein Ende des Behälters zur gleitenden Bewegung dazwischen, einen Kolben gleitbar in dem Behälter und mit der Kolbenstange verbunden wobei dieser Kolben den Behälter in zwei mit Flüssigkeit gefüllten Kammern unterteilt, wobei der Behälter mit einem der beiden Teile [Lager] verbunden und die Kolbenstange mit dem anderen Teil (Masse) parallel zur erwähnten Feder angebracht ist. Dazu Ventile, verbunden mit den Kammern in Strömungsverbindung, wobei diese Ventile regelbar auf Steuerbefehle zur Erhaltung der durch den Strömungswiderstand erzeugten Kraft zur Kontrolle der Bewegung der beiden Teile (Masse - Lager) benötigt wird.
  6. 6) Ein halb—aktives System, entsprechend Abs. 5, dadurch bestimmt, dass die Ventile druckrege]nd auf einen Befehl reagieren und das unabhängig von dem Betrag der relativen Bewegung zwischen den beiden Teilen.
  7. 7) Das halb—aktive System, entsprechend Abs. 1, charakterisiert durch den Dämpfer mit dem Behälter eine Kolbenstange. Durchgeführt durch ein Ende des Behälters für gleitende Bewegung, einen Kolben
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    Vt
    gleitend in dem Behälter und mit der Kolbenstange verbunden, der Kolben bildet getrennte Kammern in dem Behälter an seinen entgegengesetzten Seiten, die mit Flüssigkeit gefüllt sind, und der Behälter ist mit einer Seite (Lager) verbunden, so wie die Kolbenstange mit der anderen Seite (Masse) verbunden ist. Ein paar (zwei) parallele schaltbare Einweg-Druckventile, die trennend die Verbindung zwischen den flüssigkeitsgefüllten Kammern steuern, wobei diese Ventile über ihre Steuereinheit, je nach gegebenem Befehl, eine Richtung sperren, die entgegengesetzte Richtung widerstandsarm, je nach der Richtung der relativen .Bewegung , erlauben.
  8. 8) Das halb-aktive System, entsprechend Abs, 7 charakterisiert durch die Druckventile, die elektrisch angesprochene Steuereinhexten enthalten, die je nach Signal die Plussrichtung ändern.
  9. 9) Das halb-aktive System, entsprechend Abs, 8, wobei die Steuereinheiten passiv ihre Grundstellung einnehmen, solange kein Befehl vorliegt; also geschlossen sind, solange der entsprechende Schalter keinen Befehl gibt,
  10. 10) Ein halb-aktives System zur Kontrolle der Energieübertragung zwischen zwei Teilen (Lager - Masse), gekennzeichnet durch passive Feder (Kraft) schlüssig die beiden Teile so verbindend, einen Behälter, eine Kolbenstange die durch ein Ende des Behälters gleitend, relativ dazu, geführt ist, einen Kolben gleitend in dem Behälter, wobei der Kolben die beiden Kammern bildet,
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    die mit Flüssigkeit gefüllt sind. Der Behälter ist lait einem der beiden Teile (Entweder Masse oder Lager) verbunden und zwar parallel zu der erwähnten Feder. Ventile verbinden die Kanunern strömungseitig, Sensoren wenigstens auf einem Träger (Masse, oder Lager) überwachen und erzeugen dauernd ein Steuersignal, welches zur dauernden Steuerung des Dämpfers in Abhängigkeit der relativen Bewegung der beiden Teile (Masse Lager) über den Kolben und seinen Behälter-Gegenkräfte entwickelt.
  11. 11) Das halb-aktive System, entsprechend Abs. 10, gekennzeichnet durch Ventile, die auf Befehle reagieren, erlauben oder verhindern die Bewegung von Kolben und Behälter, je nachdem die Richtung des äusseren Widerstandes gegen die Richtung der relativen Bewegung der beiden Teile (Masse, Lager) liegt und erlaubt eine verhältnismässxg freie relative Bewegung von Kolben und Behälter, wenn die Richtung der äusseren Bewegung gleich der Bewegung der beiden Teile (Masse, Lager) ist.
  12. 12) Das halb-aktive System, nach Abs. 10, gekennzeichnet durch die druckgesteuerten Ventile die als Reaktion auf Befehle arbeiten wobei sich die Widerstandskräfte gegen die relative Bewegung zwischen Kolben und Behälter unabhängig von dem Betrag dieser relativen Bewegung verändern.
  13. 13) Das halb-aktive System, nach Abs. 10, gekennzeichnet durch die Ventile, welche je zwei, parallele, einweg, steuerbare Einheiten enthalten, wobei diese Steuereinheiten elektrisch mit einem entsprechenden Schalter verbunden sind. Die Steuereinheiten arbeiten unabhängig von der Flussrichtung des Druckmediums und reagieren nur auf die elektrischen Signale, wodurch
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    sie den Fluss zwischen den beiden Kammern steuern.
  14. 14) Ein halb-aktives Dämpfungssystem für die Aufhängung oder Abstützung einer Masse im Bezug zu einem Lager, wobei die Verminderung von Stöss- und Vibrationsenergie dazwischen durch einen passiven Dämpfer, der kraftschlüssig zwischen Masse und Lager (einschliesslich der statischen Kräfte) vorgenommen wird. Unterstützt dabei durch einen aktiven Steuerbaren Dämpfer in Parallelschaltung zur Erzeugung einer kontrollierten Kraft gegenwirkend der relativen Bewegung von Masse und Lager. Ober Sensoren funktionsmässig gesteuert-für eine dauernde Überwachung und Regelung der Dämpfungskraft gegen die relative Bewegung von Masse und Lager ausgelegt.
  15. 15) Das dämpfende System - nach Abs. 14, gekennzeichnet durch die Anwendung von Sensoren die funktionell mit Masse und Lager verbunden sind.
  16. 16) Das passive Dämpfungssystem nach Abs. 14 dadurch gekennzeichnet, dass der passive Dämpfer als frei von Dämpfung angesehen wird.
  17. 17) Das Dämpfungssystem, nach Abs. 14, in seinem Aufbau eine mechanische Feder ist und frei von Dämpfung angesehen wird.
  18. 18) Das Dämpfungssystem, nach Abs. 14 gekennzeichnet ist dadurch, dass der Dämpfer auf einen Befehl reagiert und zwar mit
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    einer gesteuerten Kraft gegenwirkend der Kraft der relativen Bewegung zwischen Masse und Lager, wenn die Richtung der äusseren Kräfte gegensätzlich der Richtung der relativen Bewegung ist und einer Kraft mitwirkend zur relativen Bewegung von Masse und Lager, wenn die Richtung der äusseren Kraft gleich ist wie die Richtung der relativen Bewegung.
  19. 19) Das dämpfende System, entsprechend Nr. 18 gekennzeichnet ist, durch Dämpfer die als Arbeitsmedium Flüssigkeit benutzen, und die erzeugte innere Kraft unabhängig von dem Betrag der relativen Bewegung zwischen Masse und Lager ist.
  20. 20) Ein halb-aktives Dämpfungssystem für eine Aufhängung oder Abstützung einer Masse die Vibrationen in einem bestimmten Frequenzbereich ausgesetzt ist, relativ zu einem Lager-gekennzeichnet durch passive Federelemente Kraftschlüssig zwischen Masse und Lager und in statisch bestimmter Form tragend als auch dämpfend - für einen bestimmten Frequenzbereich- diese Federelemente haben ihre Eigenfrequenz in einem niederen Bereich als den vorliegenden Frequenzbereich der Gruppe, gebildet von Behälter, Kolbenstange die durch ein Ende des Behälters für gleitende Bewegung geführt, einem Kolben gleitend in dem Behälter und mit der Kolbenstange verbunden ist, wobei der Kolben den Behälter in zwei Kammern unterteilt die ihrerseits mit Flüssigkeit gefüllt sind wobei der Behälter fest mit einem der beiden Teile (Masse, Lager) verbunden ist, und der Kolbenstange die mit dem anderen der beiden Teile (Masse, Lager) verbunden ist. Sie befinden sich
    4098U/0909 - 27 -
    dabei in paralleler Lage mit der passiven Feder. Ein paar (zwei) parallele, Einweg, steuerbare Druckventile die mit den Kammern für einen Flüssigkeitsdurchlauf verbunden sind. Sensor gesteuerte Überwachung des Masseverhaltens und dauerndes Erzeugen eines proportionalen Kontrollsignales für eine Regeleinheit die diese Signale in Befehle für die Ventile umsetzt, wobei die Ventile auf die Befehle dauernd entsprechend reagieren und dadurch dauernd die den Wiederstand der Strömung zwischen den Kammern kontrollieren sind wesentliche Merkmale. Ihr Funktionsverhalten ist so dass wenn die Richtung der äusseren Kraft entgegengerichtet der Richtung der relativen Bewegung ist eine kontrollierte Kraft gegen diese relative Bewegung aufgebaut wird. Eine gleichgerichtete Kraft wird erzeugt, wenn die Kraftübertragung der passiven Feder mit dem aktiven Dämpfer in dem gleichen Frequenzbereich unter der gegebenen (Eigen) Frequenz liegt.
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