DE2729095C2

DE2729095C2 - Pneumatisch-mechanische Vorrichtung zum aktiven Dämpfen von Vertikalschwingungen

Info

Publication number: DE2729095C2
Application number: DE2729095A
Authority: DE
Inventors: Borut Dipl.-Ing. Marburg/Maribor Horvat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-12
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1986-10-16
Also published as: GB1562968A; YU39276B; DE2729095A1; US4165066A; FR2358284B1; FR2358284A1; IT1116638B; YU170476A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine pneumatisch-mechanische Vorrichtung zum aktiven Dämpfen von Vertikalschwingungen einer schwingenden Masse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine derartige Vorrichtung kann in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden, um dort in Schwingung versetzte Massen, wie Sitze, Kabinen und dergleichen, hinsichtlich der Vertikalschwingungen zu dämpfen.

Hier bieten sich gemäß dem Stand der Technik sowohl passive als auch aktive Schwingungssysteme unter Verwendung einer Luftfeder an.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist z. B. in der US-PS 29 65 372 offenbart.

Daraus ist es bekannt, zwei auf beiden Seiten eines Kolbens befindliche Luftkammern mit Druckspeichern zu verbinden. Über ein mit der Masse verbundenes Hebelsystem wird außerdem ein Ventilsystem gesteuert, durch das die Luftfeder wahlweise mit einer Druckluftqueüe oder der Atmosphäre verbunden werden kann, um eine aktive Dämpfung vorzunehmen.

Aus der DE-AS 12 97 493 ist eine Niveauregelvorrichtung für Luftfederungen von Kraftfahrzeugen bekannt, bei dem eine einkammrige Luftfeder verwendet wird, die über eine Ventilanordnung entweder mit einer Druckluftquelle oder mit der Atmosphäre verbunden werden kann, um für eine erhöhte Belastung des Fahrzeuges eine Niveauregelung vorzunehmen und die Luftfeder härter zu machen. Die Steuerung der Ventile erfolgt über eine Verzögerungseinrichtung, die wegabhängig funktioniert. Diese Verzögerungseinrichtung setzt sich zusammen aus einem Flüssigkeitsdämpfer und einer in Reihe dazu geschalteten Feder, um zu vermeiden, daß nicht schon schwache Fahrbahnstöße jedesmal die Niveauregelvorrichtung zum Ansprechen bringen. Diese Vorrichtung eignet sich auch zur Dämpfung starker Fahrbahr.Etöße.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum aktiven Dämpfen von Vertikalschwingungen einer schwingenden Masse zu schaffen, die unter Einsatz einer Luftfeder pneumatisch-mechanisch funktioniert und zugleich ein gutes Dämpfen hochfrequenter Schwingungen sowie das Unterdrücken von Resonanzerscheinungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchsgelöst

Dadurch, daß die Eigenfrequenz des elastischen EIementes mit der Masse wesentlich größer ist als die Eigenfrequenz der Luftfeder mit der Masse,wirkt das in Reihe mit der Masse und der Luftfeder angeordnete elastische Element nicht weg-, sondern kraftabhängig dahingehend, daß auf besonders günstige Weise die aktive Dämpfungstätigkeit der Luftfeder gesteuert werden kann. Dies führt dazu, daß bei entsprechender Einstellung der Eigenfrequenz einerseits Resonanzschwingungen optimal unterdrückt und andererseits hochfrequente Schwingungen, die als periodische oder unperiodische Schwingungen auftreten können, optimal gedämpf; werden. Dabei soll die Eigenfrequenz des elastischen Elementes zumindest einige Male größer sein als die der Luftfeder. Der Phasenverschiebungswinkel zwischen der Auslenkungserregung-Zeitfunktion des Schwingungssystems des Kraftumwandlers und der Masse einerseits und der Zeitfunktion der elastischen Deformation des Kraftumwandlers andererseits im Bereich der Eigenfrequenz der Luftfeder mit der Masse ist möglichst gering und soll eine Größe von 30° nicht überschreiten.

Der durch die Luftfeder ausgeübte Druckluftwiderstand ist im Falle der Druckluftströmung in die Luftfeder über das erste der Hauptventile sowie im Fall der Druckluftströmung aus dieser Luftfeder über das zweite dieser Ventile in die Atmosphäre erheblich kleiner als der gesamte Widerstand der voll geöffneten Hauptventile und der Leitungen sowie Anschlüsse.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Kraftumwandler, falls er elastisch erheblicher deformiert wird, mittels Ventilen, die schon bei einer geringen Verschiebung eine genügende Durchströmung der Druckluft gewährleisten, an die Eintrittsöffnungen der Ventile direkt angeschlossen werden.

Die erfindungsgemäßen Vorteile werden mit relativ niedrigem Energieaufwand erreicht. Bei höheren Frequenzen wird eine Schwingungsverringerung nahezu ausschließlich durch bloße Schwebung der Masse erzielt, während bei niedrigen Frequenzen die Masse an sich mit dem Fahrzeug bewegt werden muß.

Nähere Erläuterungen der Erfindung erfolgen anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der pneumatisch-mechanisch arbeitenden Dämpfungsvorrichtung, F i g. 2 eine Einzelheit der Vorrichtung gemäß F i g. 1; und

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Kraftumwandlers und Auslenkungsverstärkers im Schnitt.

Für die Grundfederungsbaugruppe 21 in F i g. 1 wird eine beliebige Luftfeder 5 verwendet, z. B. eine solche, die als Torusbalg, Rollbalg oder Kolben-Zylinder-Element ausgeführt ist und mit einem Anschluß 11 zur Druckluftzufuhr bzw. deren Abfuhr versehen ist. Die verwendete Luftfeder 5 wirkt passiv, wenn der An-Schluß 11 geschlossen ist. Parallel zur Luftfeder 5 ist ein "assiver Dämpfer 6 sn^schlossen, der ebenso v^n einem beliebigen Typ sein kann. Bei aktiver Dämpfung, die durch die Anwendung von zusätzlicher Energie ermöglicht wird, kann dieser Dämpfer entfallen, ohne daß dabei die Dämpfungsergebnisse wesentlich verschlechtert würden.

Auf die durch eine solche Parallelschaltung von Luftfeder 5 und passivem Dämpfer 6 gebildete Grundfede-

rungsbaugruppe 21 ist in vertikaler Richtung die schwingende Masse 1 über einen Kraftumwandler 2 starr angeschlossen. Dazu soll bemerkt werden, daß in der weiteren Beschreibung nur von der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsmögüchkiit die Rede ist, nämlich daß der Kraftumwandler 2 zwischen Masse

I und Grundfederungsbaugruppe 21 angeordnet ist Man kommt dagegen zu gleichen Ergebnissen, wenn dieser Kraftumwandler 2 zwischen Grundfederungsbaugruppe 21 und dem Schwingungserreger 9 eingesetzt ist De^r Kraftumwandler ist zwischen Masse 1 und Grundfederungsgruppe 21 als ein Regelungselement eingesetzt Mit demselben Zweck ist auch der Anschluß

II vorgesehen. Die Masse 1 ist ohne eine Teilmasse, welche z. B. eine Person darstellen könnte) mit der Grundfederungsbaugruppe 21 über den Kraftumwandler 2 nur in vertikaler Richtung starr verbunden; die Verschiebungen in anderen Richtungen haben auf die Wirkungsweise der Vorrichtung keinen Einfluß.

Die Verbindung der Masse 1 und der Grundfederungsbaugruppe 21 mittels des KraftumwandJers 2 ist in Form eines äquivalenten Schemas auch in F i g. 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Luftfeder 5 aus einem passiven Dämpfer 19, der parallel zum elastischen Element 18 angeordnet ist, und einem Korrektionserreger 20, der in Reihe an das letzterwähnte Element angeschlossen ist, besteht Die Existenz des Korrektionserregers 20 beruht auf der Tatsache, daß durch zusätzliche Druckluftzufuhr bzw. deren Abfuhr die Grundfederungsbaugruppe 21 im Korrektionssinn beeinflußt werden kann.

Da als Grundziel der Vorrichtung die Verringerung von Schwingungen der Masse 1 im Falle der unperiodischen Erregungen zu betrachten ist, sollte die Reguliereinrichtung im Bereich der Eigenfrequenz der Grundfederungsbaugruppe 21 und Masse 1 rasch und ohne größere Verschiebungen des Phasenverschiebungswinkels die Luftfeder 5 in entgegengesetztem Sinne zur Wirkung der Erregungsquelle 9 beeinflussen. Nur in diesem Falle kann man befriedigende Ergebnisse erwarten. Auf Grund dieser Bedingung wird ein Kraftumwandler 2 verwendet, der aus einem elastischen Element 17 und einem Dämpfer 16 besteht, wobei die Eigenfrequenz der so aufgebauten Federungsbaugruppe samt Masse 1 weit über der Eigenfrequenz der Grundfederungsbaugruppe 21 samt derselben Masse 1 liegt. Die durch Schwingungen hervorgerufene Änderung der elastischen Deformation des Kraftumwandlers 2 ist nämlich auf Grund viel höherer Eigenfrequenz und geringer Dämpfung des Dämpfers 16 in hohem Grade der Änderung der Kraft proportional, die auf die Masse einwirkt.

Die relativ geringe elastische Deformation des Kraftumwandlers 2 kann verstärkt werden, damit sich ein ausreichender Hub zur öffnung der Ventile 14 und 15 der Ventilbaugruppe 4 ergibt. Diese Verstärkung wird mittels eines beliebigen Auslenkungsverstärkers 3 erreicht.

Die ausreichend große Änderung der Schwingungsauslenkung aus einer Mittelstellung in die eine und die andere Richtung am Eingang der Ventilbaugruppe 4 wird durch Ventile 14 und 15 in eine Luftströmungsänderung umgewandelt, indem die Druckluft in einer Richtung aus einem Druckluftbehälter 8 über Rohre 23, 12, Ventil 14, Rohre 30,10,22 und Anschluß 11 in die Luftfeder 5 und in der entgegengesetzten Richtung aus der Luftfeder 5 über der. Anschluß 11, Rohre 22, 10, Ventil 15 und Rohr 13 in die Atmosphäre strömt. Es ist an sich erforderlich, daß die Luftströmungsänderung gemäß dem physikalischen Gesetz der Auslenkungsänderung der Schwingung am Eingang der Ventilbaugruppe 4 bzw. am Ausgang des Auslenkungsverstärkers 3 proportional (am besten linear proportional) ist Dadurch ist die Anwendung solcher Ventile 14 und 15, die auf Grund relativer Verschiebung eine veränderliche Drosselung gewährleisten, bedingt

Ein besonderes Ausführungsbeispiel stellt die Anwendung von Ventilen dar, die rein digital arbeiten und bis zu einem gewissen Hub geschlossen, außer diesem Hub jedoch durchwegs geöffnet sind.

Der Strömungswiderstand in den Ventilen 14 und 15 und der Widerstand in den Rohren ist beträchtlich größer als jener in der Luftfeder 5.

Anhand geringer Asymmetrie in der Wirkung muß in der Luftfeder 5 eine mittige Lage bestimmt werden, da es in entgegengesetztem Fall zu einer Verschiebung dieser Lage kommen könnte, was eine nicht normale Wirkungsfolge verursachen würde. Deswegen wird als ein Hilfsorgan ein Mittelstellungsregler 7 verwendet, der die Luftfeder 5 gemäß deren momentaner Lage Jangsam, durch einen sehr großen Strömungswiderstand, füllt oder leert. Dieser Füll- oder Leervorgang stellt zwar einen stetigen Energieverlust dar, der sehr gering sein kann und als solcher im Falle der sich im Bereich der Eigenfrequenzen der Grundfederungsbaugruppe 21 samt der Masse 1 befindenden Frequenzen auf die Wirkung keinen Einfluß hat. Die Ventile 28 und 27 des Mittelstellungsreglers 7 sind im Falle der mittigen Lage der Luftfeder 5 geschlossen, während die Luft im Falle deren Verschiebung in die eine Richtung vom Druckluftbehälter 8 durch Rohre 23 und 24, Ventil 28, Rohre 29, 25, 22 und Anschluß 11 in die Luftfeder 5 eingeleitet wird und im Falle deren Verschiebung in die andere Richtung die Druckluft aus der Luftfeder 5 durch Rohre 22, 25, Ventil 27 und Rohr 26 in die Freiluft abgeleitet wird. Die Ventile 27 und 28 können von einem beliebigen Typ sein und es ist nicht erforderlich, daß sie bezüglich der Schwingungsauslenkung kontinuierlich geöffnet werden, sondern es genügt, daß entweder das Ventil 28 oder 27 schon bei einer geringen Verschiebung der Luftfeder 5 aus ihrer mittigen Lage ganz geöffnet ist. Zwecks Energiesparen ist es dadurch erreichbar, daß als mittige Lage des Mittelstellungsreglers 7 ein gewisser Bereich desselben eingenommen wird, wobei Ventil 28 oder 27 nunmehr nur außerhalb dieses Bereiches in einer oder anderer Richtung geöffnet wird.

Ein besonderes Ausführungsbeispiel des Kraftumwandlers 2 in einer Gesamtheit mit dem Auslenkungsverstärker 3 ist in F i g. 3 dargestellt. Als elastisches Element 17 wird hier ein Kasten 33 einer beliebigen Form und mit dünnen Wänden verwendet, der mit einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit, die im Falle elastischer Deformation des Kastens 33 über den rohrartigen Zylinder 35 den Kolben 32 beeinflußt, gefüllt ist. Der rohrartige Zylinder 35 stellt hierbei den Dämpfer 16 dar; die Veränderung des Querschnitts des Kastens 33 zum Querschnitt des Zylinders 35 stellt indessen eine Vergrößerung des Hubs des Kolbens 32 dar, wodurch tatsächlich der Auslenkungsverstärker 3 realisiert ist. Die Ausgangsstelle des Auslenkungsverstärkers 3 befindet sich demgemäß zwischen Kolben 32 und Verbindungsvorsprung 34.

Im Falle niedriger Frequenzen der Deformierung des Kastens 33 sowie einer statischen Deformation desselben reagiert der Kolben 32 nicht oder sehr schwach, da der Durchmesser des Zylinders 35 größer als der Durchmesser des Kolbens 32 ist und die Flüssigkeit folglich

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zwischen Kolben 32 und Zylinder 35 eindringen kann. Dadurch ist eine selbsttätige Einstellung auf verschiedene Massen 1 ermöglicht, wobei die parallel zum Eingang l der Ventilbaugruppe 4 angeordnete Feder 31 zum Einhalt der Mittellage des Kolbens 32 bezüglich des Zylin- s , ders 35 dient.

Im allgemeinen muß zur automatischen Einstellung des Reguliersystems bezüglich verschiedener Massen 1 am Ausgang des Kraftumwandlers 2 ein Dämpfer in Reihe mit dem Eingang des Auslenkungsverstärkers 3 io oder mit dem Eingang der Ventilbaugruppe 4 angeschlossen werden, während parallel mit dem Eingang ', des Auslenkungsverstärkers 3 oder mit der Ventilbaugruppe 4 ein elastisches Element angeordnet werden > muß, damit eine Rückführung in die bestimmte Mittella- is t\\ ge des Eingangs erreicht wird. Der Mitteisteüungsregier h=,! 7 stellt außer einem Element mit beschriebenen Eigen- i/ schäften noch ein Element zur selbsttätigen Einstellung

der Mittellage der Masse 1 dar, wobei verschiedene IΊ

Massen, z. B. der Sitz samt dem Fahrer, in Frage korn- 20 I Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Pneumatisch-mechanische Vorrichtung zum aktiven Dämpfen von Vertikalschwingungen einer schwingenden Masse, mit einer die Masse (1) abstützenden Luftfeder(5), dadurch gekennzeichne t, daß in Reihe zwischen der Masse (1) und der Luftfeder (5) oder zwischen der Luftfeder (5) und einem Schwingungserreger (9) ein elastisches Element (17) als Kraftumwandler (2) zum Umwandeln der auf die Masse (1) wirkenden Kraft in einen als Stellsignal wirkenden Weg angeordnet ist, dessen in vertikaler Richtung liegenden Enden zum Abgeben des Stellsignals mechanisch mit Steuerventilen (14, 15) verbunden sind, die die Luftfeder wahlweise mit einer Druckluftquelle (8) oder der Atmosphäre verbinden, und daß die Eigenfrequenz des elastischen Elementes (17) mit der Masse (1) wesentlich größer ist als die Eigenfrequenz der Luftfeder (5) mit der Masse (1).