DE2502627A1 - Vorrichtung zur daempfung von senkrecht schwingenden massen, wie kraftfahrzeugsitzen, -kabinen oder dergleichen - Google Patents

Vorrichtung zur daempfung von senkrecht schwingenden massen, wie kraftfahrzeugsitzen, -kabinen oder dergleichen

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DE2502627A1 DE19752502627 DE2502627A DE2502627A1 DE 2502627 A1 DE2502627 A1 DE 2502627A1 DE 19752502627 DE19752502627 DE 19752502627 DE 2502627 A DE2502627 A DE 2502627A DE 2502627 A1 DE2502627 A1 DE 2502627A1
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Description

DIP L.-IN G. RUDOLF S. KODR ON- P AT EN TANWALT
85MAINZZRHElN1ADAM-KARRtLLOM-STRAeSESD
lfd. Nrο. 7^ 242 21. November 197k
Patentanmädung
der Firma Feinmechanische Werke Mainz GmbH, Mainz— Mombach
Vorrichtung zur Dämpfung von senkrecht schwingenden Massen, wie Kraftfahrzeugsitze, -kabinen oder dergleichen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von senkrecht schwingenden Massen wie Kraftfahrzeugsitze, -kabinen oder dergleichen.
Bekannt und weitverbreitet ist eine passive Dämpfung für Schwingungsisolierung und Stoßdämpfung. Hierbei wandeln Kombinationen von federnden und dämpfenden Elementen Stoß— und Schwingungsenergie in potentielle Energie bzw. durch Flüssigkeitsreibung in Wärmeenergie um. Derartige passive Dämpfer bieten einen guten Schwingungsschutz bei Erregerfrequenzen» die in genügendem Abstand oberhalb der Eigenfrequenz des passiven Dämpfers liegen,» Bei Frequenzen jedoch, die im Bereich oder unterhalb iluer Eigenfrequenz liegen» können passive Dämpfer keinen Schwingungsschutz bieten, sondern vergrößern die Amplitude der Erregerschwingung. Diese nachteiligen tibertragungseigenschaften passiver Dämpfer unterhalb und in der Nähe ihrer Eigenfrequenz sind besonders für den menschlichen Körper gravierend, da im Bereich niedriger Frequenzen von etwa 1,5 bis 7 Hertz der menschliche Körper ausgeprägte Resonanzstellen besitzt« Es entstehen Hauptresonanzen durch
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die Wirbelsäule und. die Körpermasse oder Resonanzen von einzelnen Organen, die an elastischen Geweben im Körper aufgehängt sind. Eine starke Schwingungsbeanspruchung des Menschen in diesem Frequenzbereich beeinträchtigt das Wohlbefinden und kann zu gesundheitlichen Schaden führen· Die erwähnten passiven Däepfer haben darüber hinaus noch dien Nachteil, daß der Abstand der gefederten Masse zur Plattform belastungsabhängig ist, so daß sich hieraus bei Änderung der Belastung andere, ungünstige geometrische Verhältnisse ergeben» Ein besonders schwerer Mensch wird bei gleichem passivem Dämpfungssystem tiefer in dem Fahrersitz einsinken was unter Umständen die Sichtverhältnisse negativ beeinflußt.
Es sind Entwicklungen und Untesuchungen bekannt, bei denen mit aktiven Dämpfern erheblich stärkere Abschwächungen von Resonanzschwingungen erzielt werden· Diese Dämpfer verwenden elektro-hydraulische Servoventile, Zylinder, Rückführglieder und Schwingungssensoren· Ein elektronischer Beschleunigungsaufnehmer erfaßt die an der zu dämpfenden Masse wirkende Beschleunigung und gibt über einen Verstärker ein entsprechendes Signal zu einem Servoventil, welches einen zu einem Stellglied führenden Ölstrom in dem Sinne reguliert, daß die Masse entgegen der Plattformbewegung aus gelenkt wird, so daß also die Masse im Idealzustand trotz Schwingung der Plattform auf dem gleichen Niveau bleibt· Um ein Abwandern der Masse aus ihrer Konstruktionslage durch im Betrieb auftretende unterschiedliche Druckbeaufschlagungen des Stellglieds und unterschiedliche Öffnungszeiten der Ventile
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zu vermeiden, erfaßt ein elektronischer Wegaufnehmer die augenblickliche Position der Masse. Dieses Signal bewirkt, daß über das Servoventil ein zweiter dem Stellglied zugeführter Ölstrom derart reguliert wird, daß die Masse in die Mittellage zurückgeführt wird. Der gerätetechnische Aufwand dieser elektro-hydraulischen aktiven Dämpfer ist groß· Der komplizierte Aufbau unter Verwendung· von elektronischen Beschleunigungsaufnehmern, Verstärkern, Servoventil, elektronischen Wegaufnehmern, entbehrt der nötigen Robustheit, ist also störanfällig und teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile ein aktives Dämpfungssystem vorzuschlagen, welches nach einem einfacheren, mechanischhydraulischen Prinzip arbeitet.
Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß eine senkrecht schwingungsfähige konstante VergJäLchsmasse sich über einen Kolben auf einem Druckflüssigkeitsraum in einem als Zylinder ausgebildeten Stellglied abstützt, in dem sich ein Druck aufbaut, der für die Kompensation des Eigengewichts oder Vejgleichsmasse erforderlich ist und der bei DruckabSenkung infolge von Beschleunigungskräften an der Masse über ein druckseitiges selbsttätiges Ventil durch einen der Druckabsenkung proportionalen Durchflußquerschnitt Druckflüssigkeit aus der Druckleitung P erhält und umgekehrt bei Druckanstieg über ein rücklaufseitiges selbsttätiges Ventil durch einen dem Druckanstieg proportionalen Durchflußqueschnitt Druckflüssigkeit in die Rücklaufleitung R abgibt, so daß dem Stellglied eine der Erregerschwingung entgegengesetzte Schwingungsbewegung im Sinne einer
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aktiven Schwingungsdämpfung mitgeteilt wird, wogegen das Stellglied als Kolben in einem Folgezylinder verschiebbar ist, an dem die zu dämpfende variable Masse angreift und in dem ein als Schieber ausgebildeter, mit dem Kolben des aktiven Vergleichsmassendämpfers verbundener Kolben bei einer der Erregerschwingung entgegengesetzten Schwingung der Vergleichsmasse den Folgerzylinder durch wechselseitigen Anschluß an die Druckleitung bzw. Rücklaufleitung derart beaufschlagt, daß der Folgeverstärker auf dem Niveau der gedämpften Vergleichsmasse bleibt.
Vorteilhaft ist der Kolben des aktiven Vergleichsmassendämpfers als Schieber ausgebildet, der nach einer Auslenkung selbsttätig eine Mittellage zwischen einem mit einer Drossel versehenen Druckanschluß und einem ebenfalls eine Drossel aufweisenden Rücklaufanschluß aufrechterhält .
Zweckmäßig greift die Vergleichsmasse über einen Hebelarm an dem Kolben des aktiven Vergleichsmassendämpfers und die zu dämpfende variable Masse über ein Hebelparallelogramm an dem Folgezylinder an.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung eine Ausführungsform und die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen :
Figur 1 : den aktiven Dämpfer mit Folgeverstärker im Längsschnitt,
Figur 2 : ein Einbaubeispiel in Form eines in einem Schütteltisch eingebauten Fahrersitzes und
Figur 3 · ein Diagramm, in dem das Amplitudenverhältnis der abgefederten zu den unabgefederten Massen in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz bei drei Dämpfungsarten dargestellt ist.
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Bas mechanisch—hydraulische Bämpfungssystem umfaßt eine Kombination von mechanischem Beschleunigungssensor, einem ¥entil und einem Zylinder als Stellglied· Dem Ventil wird !hydraulische Energie zugeführt· Es steuert aufgrund der sensierten Besciileunigungen einen Ölstrom so in ein Stellglied» daß die Schwingungsamplituden der mit dem Kolben des Stellglieds verbundenen und zu dämpfenden Masse weitgellend reduziert werden. Bie Relativbewegung zwischen dieser Masse, beispielsweise dem Fahrersitz mit Körpergewicht, und dem Gestell, beispielsweise dem Fahrzeug, entspricht etwa der entgegengerichteten Erregerbewegung· Biese Anordnung reicht aus, um eine konstante Masse zu stabilisieren· Um jedoch auch unterschiedliche Körpergewichte, also variable Massen, dämpfen zu können, und auf einem konstanten Niveau zu halten, ist eine zusätzliche mechanisch—hydraulische Stelleinrichtung erforderlich, die mit dem eigentlichen aktiven Bämpfer kombiniert wird· Biese Einrichtung, nachfolgend Folgeverstärker genannt,. bietet zudem d.&n Vorteil einer gewissen Unabhängigkeit vom Pumpendruck. Ber Folgeverstärker besteht aus einem Zylinder und einem Steuerventil, Bas Zylindergehäuse ist gleichzeitig als Ventilsahieberhülse gestaltet und ist mit dem Fahrersitz über ein* Parallelogrammgestänge verbunden» Die wirksame Kolbenfläche des Folgeverstärkers ist gleichzeitig durch das Gehäuse des aktiven Bämpfers dargestellt· Ber Ventil— schieber des Folgeverstärkers ist mechanisch einerseits mit dem Ausgangs glied, nämlich mit dem Kolben des aktiven Dämpfers, verbunden^ andererseits kraftschlüssig mit der Vergleichsmasse gekoppelt«
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Der Einaatz des Folgeverstärkers zwischen aktivem Dämpfer einer konstanten Vergleichsmasse und der eigentlich zu dämpfenden variablen Masse ist aus folgendem Grund erforderlich» Änderung der Masse bzw» Kraftausübung von der abgefederten Masse zur unabgefederten Masse (z.B. durch Betätigung von Bedienungshebeln) haben bei diesem Prinzip des aktiven Dämpfers die gleiche Wirkung wie eine Beanspruchung durch Beschleunigungskräfte. Daher ist ein Erfassen der Beschleunigungskräfte durch eine konstante Vergleichsmasse erforderlich.
Wie in den Figuren 1 und 2 im einzelnen dargestellt ist, stützt sich die Vagleichsmasse 1 über den Hebelarm 2 an ihrem Kraftangriff 3 über die beiden Kolben 4 und 5 auf dem ©!gefüllten Raum 6 ab und erzeugt hier einen ihrem Eigengewicht; entsprechenden Druck.
Das druckempfindliche Ventil 7» im folgenden druckseitiges Ventil genannt, verbindet im geöffneten Zustand den ölgefüllten Raum 6 mit dem Versorgungsdruck einer Hydraulikanlage. Die auf die Stirnfläche des Ventils wirkende Druckkraft wird mit der Federkraft einer Hnstellfeder 8 verglichen. Eine Druckabsenkung von dem zur Kompensation des Eigengewichts erforderlichen Druck wirkt derart, daß das Ventil bei einem geringfügig niedriger liegenden Druck öffnet und einen der Druckabsenkung proportionalen Durchflußquer— schnitt zum Versorgungsdruck freigibt.
Bas druckempfindliche Ventil 9, im folgenden S. rücklauf seitiges Ventil genannt, verbindet den ölgefüllten Raum 6 mit dem Rücklauf der Hydraulikanlage. Die auf die Stirnfläche
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dieses Ventils einwirkende Druckkraft wird mit der
Federkraft der Einstellfeder 10 verglichen. Die Einstellfeder 10 ist derart eingestellt, daß eine Druckerhöhung über den zur Kompensation des Eigengewichtes
notwendigen Druck das Ventil bei einem geringfügig höher liegenden Druck öffnet und einen dem Druckanstieg entsprechenden Durchflußquerschnitt zur Rücklaufleitung
freigibt.
Durch die geringfügig unterhalb bzw. oberhalb des zur
Kompensation des Eigengewichtes erforderlichen Druckes
liegenden Öffnungspunkte von druckseitigem bzw. rücklaufseitigem Ventil wird bewirkt, daß kleinere Druckänderungen, d.h. Änderungen der Massenkraft, nicht berücksichtigt werden, wodurch die Schalthäufigkeit antic und der Verschleiß der Ventile gemindert wird. Gleichzeitig führt der geringfügig tief-er gelegene Öffnungsdruck des druckseitigen
Ventils bei durch Steigerungen hervorgerufener Verringerung der Eigengewichtskomponente in Wirkrichtung und die hierdurch bedingte Absenkung des Druckes im Raum 6 nicht zum unerwünschten Ansprechen des druckseitigen Ventils.
Der Kolben 5 ist, wie in Figur 1 dargestellt, als Schieber ausgebildet, der in der gezeigten Mittelstellung die über die Drosseln 11 bzw. 12 führenden Verbindungen zum| Druckanschluß 13 bzw. **ücklaufanschluß 14 schließto
Auslenkungen des Kolbens nach oben bzw. unten führen zur Verbindung des Raumes 6 mit dem Rücklaufanschluß I^ bzw. des über eine Bohrung im Kolben 5 mit dem Raum 6 verbundenen Raumes 15 mit dem Druckanschluß 13·
Die zu dämpfende Masse 18 stützt sich über den Hebelarm auf dem Raum 19 ab und erzeugt hier einen zur Kompensation
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fl.es Eigengewichts der zu dämpfenden Masse erforderlichen Druck.
Zylinder 16 und Schieber 4 des Folgeverstärkers und der Kolben 5 des aktiven Dämpfers sind koaxial angeordnet. Der Zylinder 20 des Kolbens 5 dient gleichzeitig als Kolben des Folgezylinders 16. Der Schieber 4 des Folgeverstärkers ist zwischen Kraftangriffspunkt 3 der Vergleichsmasse und dem Kolben 5 des aktiven Dämpfers angeordnet. Kolben 5 und Schieber 4 haben gleiche Durchmesser. Der im Raum 19 herrschende Druck ist bedeutend kleiner als derjenige im Raum 6 des aktiven Dämpfers, so daß eine Kraftausübung vom Druck im Raum 19 ausgeschlossen ist.
Bei einer von der in Figur 1 gezeigten Mittellage abweichenden Wegdifferenz zwischen der Einheit Schieber 4 und Kolben 5 und dem Folgezylinder 16 nach oben bzw. unten wird über den Steuerquerschnitt 21 der Raum 19 über eine Verbindungsleitung 22 mit dem Druckanschluß 23 bzw. dem Rücklaufanschluß 24 des Folgezylinders verbunden, so daß die wirkende Druckkraft bzw. das Eigengewicht der zu dämpfenden Masse den Zylinder 16 der Einheit Schieber 4 und Kolben 5 folgen läßt und auf gleichem Niveau hält.
Beim Fahren über eine unebene Bodenoberfläche erfährt jede unabgefederte Masse eine Beschleunigung nach oben oder unten. Die durch den beschriebenen aktiven Dämpfer stoßisolierte Vergleichsmasse hingegen erfährt nur eine geringe Beschleunigung, die aufgrund der obigen Beschreibung des druckempfind-$ liehen Ventils erforderlich ist, um am rücklaufseitigen bzw.
druckseitigen Ventil einen ausreichenden Öffnungsquerschnitt
freizugeben. Infolge der bestehenden Druckgefälle -Druck im Raum 6 gegen Rücklauf- bzw. Versorgungsdruck gegen Druck im Raum 6 - wird durch den Öffnungsquerschnitt des R rücklauf-
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seitigen bzw. druckseitigen Ventils ein solcher Druckmittel strom aus bzw. zum Stellglied ermöglicht, daß die Stellgliedgeschwindigkeit etwa der entgegengesetzten Erregergeschwindigkeit entspricht. Die Geschwindigkeit der Vergleichsmasse und die Stellgliedgeschwindigkeit entsprechen somit der Erregergeschwindigkeit. Das gleiche gilt für die Beschleunigungen.
Figur 3 zeigt ein Diagramm in dem das Amplitudenverhältnis der abgefederten Masse zu der unabgefederten Masse in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz für verschiedene Dämpfungssysteme dargestellt ist. Für den mit einem Folgeverstärker der beschriebenen Art gekoppelten aktiven Dämpfer ergibt sich für kleine Frequenzen die günstige Kennlinie 29. Bei höheren Frequenzen steigt diese Kennlinie wieder zu größeren Amplitudenverhältnissen an, da mit steigender Frequenz eine zunehmende Phasenverschiebung zwischen Dämpfkolbenweg und Folgezylinderweg eintritt. Im wichtigen Frequenzbereich zwischen 1 und 7 Hertz, in dem der menschliche Körper ausgeprägte Resonanzsteilen besitzt, ergibt sich jedoch bei diesem Dämpfungssystem eine optimale Zone.
Die Kennlinie 27 zeigt die Wirkung bei leichter passiver Dämpfung. Die Kennlinie 28 charakterisiert eine elektrohydraulische aktive Dämfpfimg.
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Claims (2)

  1. lfd. Nr. 7k ZhZ 21. November 1974
    Patentansprüche
    *J Vorrichtung zur Dämpfung von senkrecht schwingenden Massen wie Kraftfahrzeugsitze-, -kabinen oder dergleichen,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine senkrecht schwingungsfähige konstante Vergleichsmasse (i) sich über einen Kolben (5) auf einen Druckflüssigkeitsraum (6) in einem als Zylinder ausgebildeten Stellglied (20) abstützt, in dem sich ein Druck aufbaut, der für die Kompensation des Eigengewichts der Vergleichsmasse erforderlich ist und der bei Druckabsenkung infolge Vergleichsmassenschwingung über ein druckseitiges selbsttätiges Ventil (7,8) durch einen der Druckabsenkung proportionalen Durchflußquerschnitt Druckflüssigkeit aus der Druckleitung P erhält und umgekehrt bei Druckanstieg über ein rücklaufseitiges selbsttätiges Ventil (9,10) durch einen dem Druckanstieg proportionalen Durchflußquerschnitt Druckflüssigkeit in die Rücklaufleitung R abgibt, so daß dem Stellglied (20) eine der Erregerschwingung entgegengesetzte Schwingungsbewegung im Sinne einer aktiven Schwingungs#dämpfung mitgeteilt wird, wogegen das Stellglied als Kolben in einem Folgezylinder (i6) verschiebbar ist, an dem die zu dämpfende variabl-e Masse (18) angreift und in dem ein als Schieber ausgebildeter, mit dem Kolben (5) des aktiven Vergleichsmassendämpfers (25) verbundener Kolben (4) bei einer der Erregerschwingung entgegengesetzten Schwingung der Vergleichsmasse einen Druckflüssigkeitsraum (19) durch wechselweisen Anschluß an die Druckleitung (23) oder Rücklaufleitung (24) derart beaufschlagt, daß die zu dämpfende Masse (18) auf dem Niveau der gedämpften Vergleichsmasse (i) bleibt.
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  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) des aktiven Vergleichsmassendämpfers (25) als Schieber ausgebildet ist, der nach eher Auslenkung selbsttätig eine Mittellage zwischen einem mit einer Drossel (11) versehenen Druckanschluß (13) und einem ebenfalls eine Droswsel (12) aufweisenden Rücklaufanschluß (14) aufrechterhält.
    3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsmasse (1) über einen Hebelarm (2) an dem Kolben (5) des aktiven Vergleichsmassendämpfers (25) und die zu dämpfende variable Masse (18) über ein Hebelparallelogramm (17) an dem Folgezylinder (16-) anfegreift·
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    Le er
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