DE3939822A1 - Schwingungsdaempfendes system fuer ein kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein schwingungsdämpfendes System für ein Kraftfahrzeug gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

An einem Kraftfahrzeug bilden sich im Fahrbetrieb eine Reihe von Schallquellen, die sich zu einem resultierenden Geräuschpegel auf­ addieren, der vom Fahrzeuginsassen aufgenommen und als bisweilen äußerst unangenehm empfunden wird. Die Übertragung der Störschwingungen kann sowohl mechanisch (Körperschall) als auch durch die Luft (Luft­ schall) erfolgen. Als wesentliche Schallquellen wären beispielsweise das Antriebsaggregat mit den angeschlossenen Antriebskomponenten, das Ansaug- und Auspuffsystem, Fahrtwind, Abrollgeräusche usw. zu nennen.

Lösungsvorschläge, wie man diesem Umstand entgegenwirken kann, sind im Stand der Technik bereits genannt.

In einem Bericht aus der Zeitschrift "Auto-Motor-Sport" 8/1988, Seiten 54 bis 58, wird eine aktive Geräuschminderung durch Erzeugung von Ge­ gengeräuschen vorgeschlagen. Dabei sind im Bereich der Kopfstützen der Fahrzeugsitze kleine Mikrophone angeordnet, die die störenden Dröhnge­ räusche erfassen. Diese Informationen werden in einer Steueranlage ver­ arbeitet. Dabei werden Steuersignale erzeugt, die Lautsprecher beauf­ schlagen, welche unter den Vordersitzen angeordnet sind und der Erzeu­ gung von Gegengeräuschen dienen.

Ein Lösungsvorschlag ganz anderer Art geht aus der japanischen Patent­ anmeldung 61-2 18 427 hervor. Dort ist ein schwingungsdämpfendes System für ein Kraftfahrzeug beschrieben, welches eine Steuereinheit beinhal­ tet, die Störschwingungen des Fahrzeuges erfaßt und darauf aufbauend Steuersignale an mindestens ein Stellglied zur Beaufschlagung eines im Fahrzeug angeordneten Schwingkörpers abgibt, um damit die Fahrzeug- Störschwingungen überlagernde und dabei dämpfende phasenverschobene Gegenschwingungen zu erzeugen.

Diesem schwingungsdämpfenden System ist als Nachteil anzulasten, daß es durch den Umstand, daß ein zusätzlicher Schwingkörper erforderlich ist, relativ aufwendig wird. Darüber hinaus erscheint die Art und Weise der Umsetzung der von der Steuereinrichtung ausgehenden Steuersignale noch verbesserungswürdig.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungs­ gemäßes schwingungsdämpfendes System für ein Kraftfahrzeug in der Weise weiterzubilden, daß mit nur denkbar geringem Aufwand den auftretenden Störschwingungen besonders wirksam entgegengewirkt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe der technischen Mittel ge­ löst, wie sie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben sind.

Zwar ist es aus der europäischen Patentanmeldung 00 52 291 bereits be­ kannt, ein fahrzeugeigenes Funktionselement von relativ großer Masse, nämlich die Fahrzeugbatterie, in ein schwingungsdämpfendes System ein­ zubinden. Der Offenbarungsgehalt dieser Vorveröffentlichung vermochte es jedoch nicht, die Erfindung nahezulegen. In dieser Druckschrift ist nämlich lediglich eine elastische Aufhängung der Fahrzeugbatterie be­ schrieben, deren Eigenfrequenz auf eine bestimmte störende Resonanz­ frequenz der Fahrzeugstruktur abgestimmt ist. Es handelt sich dabei also lediglich um ein "passives" System, wonach bei geeigneter Abstim­ mung lediglich eine Dämpfung von Störschwingungen einer ganz bestimmten Frequenz herbeigeführt werden kann.

Eine erste Lageranordnung, bei der gezielt Zustandsänderungen des Werk­ stoffes von Lagerelementen herbeigeführt und dabei der umgekehrte pie­ zoelektrische Effekt angewendet wird, ist zwar bereits durch die japa­ nische Patentveröffentlichung 61-2 86 634 bekannt geworden. Die Ziel­ setzung in der darin beschriebenen, einen gänzlich anderen Anwendungs­ fall betreffenden Vorrichtung ist es, die Übertragung von störenden Vibrationen auf die Lagerplatte eines empfindlichen Maschinenelementes zu verhindern. Die störenden Schwingungen/Vibrationen gehen dabei vom Fundament der Lagerplatte aus. Auch aus dieser Vorveröffentlichung er­ geben sich somit keine Anhaltspunkte, die die vorliegende Erfindung hätten nahelegen können.

Eine ältere Patentanmeldung (P 38 21 368.0) der Anmelderin beschreibt eine schwingungsdämpfende und schwingungskompensierende Lageranordnung für einen in einem Kraftfahrzeug angeordneten und gelagerten, Stör­ schwingungen erzeugenden schwingenden Körper, mit einer die Störschwin­ gungen verarbeitenden Steuereinheit die Steuersignale an mindestens ein innerhalb der Lageranordnung vorgesehenes und Elemente der Lageran­ ordnung beaufschlagendes Stellglied abgibt, um so eine Kompensation der Störschwingungen zu bewirken, wobei das Stellglied als den umgekehrten piezoelektrischen Effekt ausnutzendes Bauteil ausgebildet ist. Insoweit ist mit dieser älteren Patentanmeldung bereits ein Anwendungsfall in der Kraftfahrzeugtechnik zur Kompensation von Störschwingungen unter Nutzung des umgekehrten piezoelektrischen Effektes beschrieben.

Besondere Vorteile und weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor, die sich auf vorteilhafte Weiterbildungen be­ ziehen.

Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend weiter erläutert und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt in

Fig. 1 das schaltungstechnische Zusammenwirken zwischen einer Steuer­ einheit und einem erfindungsgemäß beaufschlagten fahrzeugeige­ nen Funktionselement (Batterie) und

Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines mit Piezokeramik-Ele­ menten bestückten Batterie-Lagerelementes.

Wie aus dem Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 1 hervorgeht, ist als fahr­ zeugeigenes Funktionselement ein solches von relativ großer Masse, näm­ lich eine Fahrzeugbatterie 1 genutzt. Denkbar wäre beispielsweise auch, den Motorkühler zu verwenden. Denkbar wäre aber neben weiteren Alterna­ tiven insbesondere auch, als fahrzeugeigenes Funktionselement ein Ka­ rosseriebauteil (z. B. Karosserieblech, Rahmenteil) zu beaufschlagen. Werden in dieses vom Stellglied die phasenverschobenen Gegenschwingun­ gen eingeleitet, so wirkt das Karosseriebauteil als Schwingkörper, der den Fahrzeug-Störschwingungen entgegenzuwirken vermag. In der konstruk­ tiven Ausführung könnte z. B. eine das Stellglied beinhaltende, zwi­ schen zwei Karosseriebauteilen angeordnete und diese somit verbindende Stützstrebe verwendet werden.

Nach Fig. 1 ist am Fahrzeug an geeigneter Stelle ein Sensor 2 angeord­ net, der die zu dämpfenden Störschwingungen erfaßt. Hierfür könnten beispielsweise in Anlehnung an den eingangs erwähnten Bericht in der Zeitschrift "Auto-Motor-Sport" kleine Mikrophone verwendet werden, die im Bereich der Kopfstützen der Fahrzeugsitze angeordnet sind. Auch wäre eine Anordnung denkbar, wie sie in der ebenfalls eingangs genannten ja­ panischen Patentanmeldung 61-2 18 427 gezeigt ist.

Die vom Sensor 2 erfaßten Störschwingungen werden einer Signalerkennung 3 einer Steuereinheit 4 zugeleitet. Diese beinhaltet weiter eine Sig­ nalverarbeitung 5 sowie eine nachgeschaltete Signalverstärkung 6 zur Verstärkung der von der Signalverarbeitung 5 als Steuergröße ausgege­ benden Signale. Jedes der vorgenannten Systemelemente ist mit einer von der Fahrzeugbatterie 1 oder von einer Lichtmaschine gespeisten Strom­ bzw. Spannungsversorgung 7 gekoppelt. Davon wird die zum Betreiben der Steuereinheit 4 benötigte Energie, aber auch die Leistungsversorgung eines nachstehend noch zu beschreibenden Lagerelementes der Fahrzeug­ batterie 1 abgeleitet.

Die auf einer karosserieseitigen Konsole 8 aufsitzende Fahrzeugbatterie 1 stützt sich über drei Federelemente 9 sowie über einen piezokerami­ schen Aktuator 10 als viertes Lagerelement ab. Der piezokeramische Ak­ tuator 10 steht mit der Steuereinheit 4 in Verbindung. Die dort verar­ beitenden Signale werden im Sinne einer Kompensation der genannten Störschwingungen als Stellgrößen an den piezokeramischen Aktuator 10 gegeben.

Die von einer Anzahl von Schallquellen ausgehenden Störschwingungen addieren sich auf und ergeben, multipliziert mit den Karosserieübertra­ gungsfunktionen ihrer Einleitungsstellen, bei entsprechenden Frequenzen im Innenraum jeweils einen gewissen Schalldruckpegel. Addiert man diese Pegel vektoriell (also phasenrichtig) so entsteht ein Summenpegel, den der Fahrer wahrnimmt. Dieser soll letztlich mit Hilfe des erfindungsge­ mäßen schwingungsdämpfenden Systems zu Null oder doch zumindest stark reduziert werden. Dies geschieht, indem der piezokeramische Aktuator 10 und damit auch die Fahrzeugbatterie 1 in Schwingungen versetzt werden, so daß an dieser Lagerstelle eine bestimmte Kraft auf die Karosserie übertragen wird. Aus der Karosserieübertragungsfunktion an dieser Stel­ le ist die Größe und Phasenlage der Kraft zu ermitteln mit dem Ziel, daß diese Kraft mit ihrer Karosserieübertragungsfunktion multipliziert einen gegengerichteten Schalldruckpegel erzeugt.

Dieses Unterbinden der Auswirkungen von Störschwingungen kann aufgrund der Steuerungscharakteristik bei sämtlichen Motor-Drehzahlbereichen bzw. Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichen erfolgen, indem dem jeweils entstehenden störenden Schalldruckpegel auf die genannte Weise entge­ gengewirkt wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines zur Anwendung gelangenden pie­ zokeramischen Aktuators 10. Dieser ist zwischen einem Tragblech 13 der Konsole 8 und einem seitlich abkragenden Steg 14 der Fahrzeugbatterie 1 angeordnet und mit seiner Längsachse 15 vertikal ausgerichtet. Der pie­ zokeramische Aktuator 10 besteht aus einzelnen piezokeramischen Elemen­ ten 16, die in der Weise übereinandergeschichtet sind, daß dadurch eine als Elongator wirkende Säule 17 gebildet wird. Diese ist von einer zy­ lindrischen Rohrfeder 18 umgeben, deren Umfangswand in gewissen Abstän­ den geschlitzt ist, so daß ihre vorgegebene Länge unter Krafteinwirkung veränderlich ist. Das untere Ende der Rohrfeder 18 weist einen Stütz­ flansch 19 auf, der am Tragblech 13 der Konsole 8 mittels Schraubver­ bindungen 20 befestigbar ist. Die obere Stirnfläche 23 der Rohrfeder 18 ist ebenfalls über eine Schraubverbindung 24 mit dem Steg 14 der Fahr­ zeugbatterie 1 verbunden.

Ein unterer zylinderförmiger Ansatz 25 der Rohrfeder 18 ragt nach unten durch eine Öffnung 26 des Tragbleches 13 hindurch und trägt ein Innen­ gewinde 27, in das eine Spannschraube 28 eingesetzt ist. Über diese läßt sich die Aktuator-Säule 17 unter eine definierte Druck-Vorspannung setzen. Die Aktuator-Säule 17 ist über Anschlußleitungen 29 mit der Steuereinheit 4 verbunden. Werden nun entsprechende Signale (elektri­ sche Spannungen bestimmter Größenordnung und Frequenz) als Stellgröße in die piezokeramischen Elemente 16 eingeleitet, so bewirkt dies eine Dickenänderung derselben, die sich zu einer Gesamt-Dickenänderung bzw. Höhenänderung der Aktuator-Säule 17 aufsummiert und damit die Fahrzeug­ batterie 1 in Schwingungen versetzt. Die Rückstellkraft wird neben dem Eigengewicht der Fahrzeugbatterie 1 über die vorgespannte Rohrfeder 18 aufgebracht.

Anstelle des piezokeramischen Aktuators 10 wäre z. B. auch denkbar, einen anderen, den piezoelektrischen Effekt nutzenden Werkstoff oder auch einen magnetrostriktiven Werkstoff einzusetzen. Letzterer könnte als stabförmiges Bauteil ausgeführt sein, das von einer Spule umgeben ist. Beim Anlegen eines Magnetfeldes finden dann makroskopische Längen­ änderungen im Werkstoff statt, so daß die gleiche Wirkung erzielt wer­ den könnte, wie mit dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen piezokera­ mischen Aktuator 10.

Claims (8)

1. Schwingungsdämpfendes System für ein Kraftfahrzeug mit einer Steuereinheit, die Störschwingungen erfaßt und darauf aufbauend Steuersignale an mindestens ein Stellglied zur Beaufschlagung eines im Fahrzeug angeordneten Schwingkörpers abgibt, um über diesen die Fahrzeug-Störschwingungen überlagernde und dabei dämpfende phasen­ verschobene Gegenschwingungen in das Kraftfahrzeug einzuleiten, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper (1) ein fahrzeugeigenes Funktionselement ist, und daß das Stellglied (10) einen Werkstoff enthält, der unter dem Einfluß elektrischer Spannungen Zustands­ änderungen (Längen-, Dickenänderung) erfährt.

2. Schwingungsdämpfendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwingkörper eine Fahrzeugbatterie (1) ist.

3. Schwingungsdämpfendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwingkörper ein Motorkühler ist.

4. Schwingungsdämpfendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwingkörper ein Karosseriebauteil ist.

5. Schwingungsdämpfendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Stellglied (10) als ein den umgekehrten piezoelektri­ schen Effekt nutzendes Bauteil ausgeführt ist.

6. Schwingungsdämpfendes System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß als Stellglied ein piezokeramischer Aktuator (10) verwen­ det wird.

7. Schwingungsdämpfendes System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der piezokeramische Aktuator (10) aus einzelnen piezokera­ mischen Elementen (16) besteht, die in der Weise übereinanderge­ schichtet sind, daß dadurch eine als Elongator wirkende Säule (17) gebildet wird, die von einer Rohrfeder (18) umgeben ist, in deren eines Ende ein die Aktuator-Säule (17) unter eine Druckvorspannung setzbare Spannschraube (28) einsetzbar ist.

8. Schwingungsdämpfendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Stellglied (10) einen magnetrostriktiven Werkstoff enthält.