DE2502627C3 - Vorrichtung zur aktiven Dämpfung der Schwingungen von senkrecht schwingenden Massen, z.B. in Fahrzeugen - Google Patents
Vorrichtung zur aktiven Dämpfung der Schwingungen von senkrecht schwingenden Massen, z.B. in FahrzeugenInfo
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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 Rücklaufleitung derart beaufschlagt wird, daß die
Bekannt und weitverbreitet ist eine passive Dämpfung für Schwingungsisoliening 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 Eigenfre
quenz 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 Übertra
gungseigenschaften passiver Dämpfer unterhalb und in
der Nähe ihrer Eigenfrequenz sind besonders für den menschlichen Körper gravierend, da im Bereich
niedriger Frequenzen von etwa 13 bis 7 Hertz der menschliche Körper ausgeprägte Resonanzstellen be
sitzt Es entstehen Hauptresonanzen durch die Wirbel
säule 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
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 führen
den 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 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 aktiver Dämpfer
ist groß. Der komplizierte Aufbau unter Verwendung
von elektronischen Beschleunigungsaufnehmern, Verstärkern, Servoventil, elektronischen Wegaufnahmern,
entbehrt der nötigen Robustheit, ist also störanfällig und teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter
einfacheren, mechanisch-hydraulischen Prinzip arbeitet.
,!adurch, daß eine senkrecht schwingungsfähige konstante Vergleichsmasse sich über einen Kolben auf
einem Druckflüssigkeitsraum in einem ah; Zylinder ausgebildeten Stellglied abstützt, in dem sich ein Druck
aufbaut, der für die Kompensation des Eigengewichts s der Vergleichsmasse erforderlich ist, wobei der
Druckflüssigkeitsraum bei Druckabsenkung infolge Vergleichsmassenschwingung über eine druckseitige
selbsttätige Vuntilfunktion durch einen der Druckabsenkung proportionalen Durchflußquerschnitt Druckflüs- to
sigkeit aus der Druckleitung erhalt und umgekehrt bei Druckanstieg über eir;e 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 iColben 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 lktiven Vergleichsm&isendämpfers 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
Fig.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 v>
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 fei) 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 b">
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 aktiven
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 Drufkanschluß 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 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 Folgezyünders 16. Der
Schieber 4 des Folgeverstärkers ist zwischen Kraftangriffspunkt 3 der Vergleichsmasse 1 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 hingegen
erfährt nur eine geringe Beschleunigung, die aufgrund der obigen Beschreibung des druckempfindlichen
Ventils erforderlich ist, um am rücklaufseitigen bzw. druckseitigen Ventil einen ausreichenden Offnungsquerschnitt
freizugeben. Infolge der bestehenden Druckgefälle — Druck im Raum 6 gegen Rücklauf- bzw.
Versorgungsdruck gegen Druck im Raum 6 — wird durch den Öffnungsquerschnitt des rücklaufseitigen
ίο bzw. druckseitigen Ventils ein solcher Druckmittelstrom
aus bzw. zum Stellglied ermöglicht, daß die Stellgliedgeschwir.digkeit etwa der entgegengesetzten Erregergeschwindigkeit
entspricht. Die Geschwindigkeit der Vergleichsmasse isr.d die Steügliedgeschwindigkei!
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 für verschiedene Dämpfungssysteme dargestellt ist Für den
mit einem Folgeverstärker der beschriebenen Ari gekoppelten aktiven Dämpfer ergibt sich für kleine
Frequenzen die günstige Kennlinie 29. Bei höherer Frequenzen steigt diese Kennlinie wieder zu größerer
Amplitudenverhältnissen an, da mit steigender Frequenz eine zunehmende Phasenverschiebung zwischen
Dämpfkolbenweg und Folgezylinderweg eintritt. Im wichtigen Frequenzbereich zwischen 1 und 7 Hertz, ir
dem der menschliche Körper ausgeprägte Resonanzstellen besitzt, ergibt sich jedoch bei diesem Dämpfungssystem
eine optimale Zone.
Die Kennlinie 27 zeigt die Wirkung bei leichte! passiver Dämpfung. Die Kennlinie 28 charakterisierl
eine elektro-hydraulische aktive Dämpfung.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
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 (29) 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 selbstätige Ventilfunktion (7, 8) durch einen der Druckabsenkung proportionalen
Durchflußquerschnitt Druckflüssigkeit aus der Druckleitung (/^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 (S) 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.
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