DE2502627B2 - Vorrichtung zur aktiven Dämpfung der Schwingungen von senkrecht schwingenden Massen, z.B. in Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Dämpfung der Schwingungen von senkrecht schwingenden Massen, z. B. in Fahrzeugen, bei der eine senkrecht schwingungsfähige konstante Vergleichsmasse über einen Verstärker auf Steuerventile einwirkt, wodurch ein Druckflüssigkeitsraum mit einem Kolben durch wechselweisen Anschluß an die Druckleitung oder Küc-klaufleitung derart beaufschlagt wird, daß die Masse auf einem vorbestimmten Niveau bleibt.

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 ihrer Eigenfrequenz liegen, können passive Dämpfer keinen Schwingungsschutz bieten, sondern vergrößern die Amplitude der Erregerschwingung. Diese nachteiligen Übertragungseigenschaften 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 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 Schäden führen. Die erwähnten passiven Dämpfer haben darüber hinaus noch den 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 Untersuchungen bekannt, bei denen mit aktiven Dämpfern erheblich stärkere Abschwäch ungen von Resonanzschwingungen erzielt werden. Diese Dämpfer verwenden elektro-hydraulische Servoventil, 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 ausgelenkt 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 zu vermeiden, erfaßt ein elektronischer Wegaufnehmer die augenblickliche Position der M!asse. 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 aktiver Dämpfer ist groß. Der komplizierte Aufbau unter Verwendung

w) von elektronischen Beschleunigungsaufnehmern, Verstärkern, Servoventil, elektronischen Wegaufnahmern, entbehrt der nötigen Robustheit, ist also störanfällig und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter

hi Vermeidung der aufgezeigten Nachteile ein aktives Dämpfungssystem vorzuschlagen, welches nach einem einfacheren, mechanisch-hydraulischen Prinzip arbeitet.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung

dadurch, daß eine senkrecht schwingungsfähige konstante Vergleichsmasse 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 s der Vergleichsmasse erforderlich ist, wobti der Druckflüssigkeitsraum bei Druckabsenkung infolge Vergleichsmassenschwingung über eine druckseitige selbsttätige Ventilfunktion durch einen der Druckabsankung proportionalen Durchflußquerschnitt Druckflüssigkeit aus der Druckleitung erhält und umgekehrt bei Druckanstieg über eine rücklaufseitige selbsttätige Ventilfunktion durch einen dem Druckanstieg proportionalen Durchflußquerschnitt Druckflüssigkeit in die Rücklaufleitung abgibt, so daß dem Stellglied eine der is Erregerschwingung entgegengesetzte Schwingungsbewegung im Sinne einer 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 einen Druckflüssigkeitsraum durch wechselweisen Anschluß an die Druckleitung oder Rücklaufleitung derart beaufschlagt, daß die Masse auf dem Niveau der 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 Masse über ein Hebelparallelogramm an dem Folgezylinder an.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung eine Ausführungsform und die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den aktiven Dämpfer mit Folgeverstärker im Längsschnitt,

F i g. 2 ein Einbaubeispiel in Form eines in einem Schütteltisch eingebauten Fahrersitzes und

F i g. 3 ein Diagramm, in dem das Amplitudenverhältnis der abgefederten zu den unabgefederten Massen in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz bei drei Dämpfungsarten dargestellt ist.

Das mechanisch-hydraulische Dämpfungssystem umfaßt eine Kombination von mechanischem Beschleunigungssensor, einem Ventil und einem Zylinder als Stellglied. Dem Ventil wird hydraulische Energie zugeführt. Es steuert aufgrund der sensierten Beschleunigungen einen ölstrom so in ein Stellglied, daß die Schwingungsamplituden der mit dem Kolben des Stellglieds verbundenen und zu dämpfenden Masse weitgehend reduziert werden. Die Relativbewegung zwischen dieser Masse, beispielsweise dem Fahrersitz mit Körpergewicht, und dem Gestell, beispielsweise t>o dem Fahrzeug, entspricht etwa der entgegengerichteten Erregerbewegung. Diese 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 6~> zu halten, ist eine zusätzliche mechanisch-hydraulische Stelleinrichtung erforderlich, die mit dem eigentlichen aktiven Dämpfer kombiniert wird. Diese Einrichtung, nachfolgend Folgeverstärker genannt, bietet zudem den Vorteil einer gewissen Unabhänggigkeit vom Pumpendruck. Der Folgeverstärker besteht aus einem Zylinder und einem Steuerventil. Das Zylindergehäuse ist gleichzeitig als Ventilschieberhülse gestaltet und ist mit dem Fahrersitz über ein Parallelogrammgestänge verbunden. Die wirksame Kolbenfläche des Folgeverstärkers ist gleichzeitig durch das Gehäuse des aktiver. Dämpfers dargestellt. Der Ventilschieber des Folgeverstärkers ist mechanisch einerseits mit dem Ausgangsglied, nämlich mit dem Kolben des aktiven Dämpfers, verbunden, andererseits kraftschlüssig mit der Vergleichsmasse gekoppelt

Der Einsatz 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 F i g. 1 und 2 im einzelnen dargestellt ist, stützt sich die Vergleichsmasse 1 über den Hebelarm 2 an ihrem Kraftangriff 3 über die beiden Kolben 4 und 5 auf dem ölgefüllten 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 Einstellfeder 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 Durchflußquerschnitt zum Versorgungsdruck freigibt.

Das druckempfindliche Ventil 9, im folgenden rücklaufseitiges Ventil genannt, verbindet den ölgefüllten Raum 6 mit dem Rücklauf der Hydraulikanlage. Die auf die Stirnfläche 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 und der Verschleiß der Ventile gemindert wird. Gleichzeitig führt der geringfügig tiefer 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 F i g. 1 dargestellt, als Schieber ausgebildet, der in der gezeigten Mittelstellung die über die Drosseln 11 bzw. 12 führenden Verbindungen zum Druckanschluß 13 bzw. Rücklaufanschluß 14

schließt. Auslenkungen des Kolbens nach oben bzw. unten führen zur Verbindung des Raumes 6 mit dem Rücklaufanschluß 14 bzw. des über eine Bohrung im Kolben 5 mit dem Raum 6 verbundenen Raumes 15 mit dem Druckanschluß 13.

Die Masse 18, deren Schwingungen gedämpft werden sollen, stützt sich über den Hebelarm 17 und den Raum 19 am Gestell 26 ab und erzeugt hier einen zur Kompensation des Eigengewichts der Masse 18 erforderlichen Druckzylinder 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 ΐ 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 F i g. 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 hinge gen erfährt nur eine geringe Beschleunigung, di« aufgrund der obigen Beschreibung des druckempfindli chen Ventils erforderlich ist, um am rücklaufseitiger

bzw. druckseitigen Ventil einen ausreichenden Öff nungsquerschnitt freizugeben. Infolge der bestehender Druckgefälle — Druck im Raum 6 gegen Rücklauf- bzw Versorgungsdruck gegen Druck im Raum 6 — wire durch den Öffnungsquerschnitt des rücklaufseitiger

ίο bzw. druckseitigen Ventils ein solcher Druckmittelstrorr aus bzw. zum Stellglied ermöglicht, daß die Stellgliedgeschwindigkeit etwa der entgegengesetzten Erregerge schwindigkeit entspricht. Die Geschwindigkeit dei Vergleichsmasse und die Stellgliedgeschwindigkeil entsprechen somit der Erregergeschwindigkeit. Das gleiche gilt für die Beschleunigungen.

F i g. 3 zeigt ein Diagramm in dem das Amplitudenverhältnis der abgefederten Masse zu der unabgefederten Masse in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz füi verschiedene Dämpfungssysteme dargestellt ist. Für der mit einem Folgeverstärker der beschriebenen Ar gekoppelten aktiven Dämpfer ergibt sich für kleint Frequenzen die günstige Kennlinie 29. Bei höherer Frequenzen steigt diese Kennlinie wieder zu größerer Amplitudenverhältnissen an, da mit steigender Fre quenz eine zunehmende Phasenverschiebung zwischer Dämpfkolbenweg und Folgezylinderweg eintritt. Inwichtigen Frequenzbereich zwischen 1 und 7 Hertz, ir dem der menschliche Körper ausgeprägte Resonanz stellen besitzt, ergibt sich jedoch bei diesem Dämp fungssystem eine optimale Zone.

Die Kennlinie 27 zeigt die Wirkung bei leichtei passiver Dämpfung. Die Kennlinie 28 charakterisier eine eleklro-hydraulische aktive Dämpfung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur aktiven Dämpfung der Schwingungen von senkrecht schwingenden Massen, z. B. in Fahrzeugen, bei der eine senkrecht schwingungsfähige konstante Vergleichsmasse über einen Verstärker auf Steuerventile einwirkt, wodurch ein Druckflüssigkeitsraum mit einem Kolben durch wechselweisen Anschluß an die Druckleitung oder Rücklaufleitung derart beaufschlagt wird, daß die Masse auf einem vorbestimmten Niveau bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine senkrecht schwingungsfähige konstante Vergleichsmasse (1) sich über einen Kolben (5) auf einem Druckflüssigkeitsraum (6) an einem als Zylinder ausgebildeten Stellglied (20) abstützt, in dem sich ein Druck aufbaut, der für die Kompensation des Eigengewichts der Vergleichsmasse (1) erforderlich ist, wobei der Druckflüssigkeitsraum (6) bei Druckabsenkung infolge Vergleichsmassenschwingung über eine druckseitige seJbstätige Ventilfunktion (7, 8) durch einen der Druckabsenkung proportionalen Durchflußquerschnitt Druckflüssigkeit aus der Druckleitung (p) erhält und umgekehrt bei Druckanstieg über eine rücklaufseitige selbsttätige Ventilfunktion (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 Schwingungsdämpfung mitgeteilt wird, wogegen das Stellglied (20) als Kolben in einem Folgezylinder (16) verschiebbar ist, an dem die 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 (1) einen Druckflüssigkeitsraum (19) durch wechselweisen Anschluß an die Druckleitung (23) oder Rücklaufleitung (24) derart beaufschlagt, daß die Masse (18) auf dem Niveau der Vergleichsmasse (1) bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) des aktiven Vergleichsmassendämpfers (25) als Schieber ausgebildet ist, der nach einer Auslenkung selbsttätig eine Mittellage zwischen einem mit einer Drossel (11) versehenen Druckanschluß (13) und einem ebenfalls eine Drossel (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 Masse (18) über ein Hebelparallelogramm (17) an dem Folgezylinder (16) angreift.