DE4120099C2 - Dämpfungsglied mit elektrorheologischer Flüssigkeit, insb. für Motoraufhängung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dämpfungsglied gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Aufhängungsanordnungen dieser Art dienen beispielsweise zur Aufhängung einer Brennkraftmaschine im Fahrzeugaufbau eines Kraftfahrzeugs und weisen Buchsen auf, die mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit (ERF) gefüllt und mit Elektroden versehen sind, an die eine Spannung zur Steuerung der Vis­ kosität der elektrorheologischen Flüssigkeit angelegt werden kann.

In JP 60-104 828 A (= DE 33 36 965 A1) wird eine Aufhängungsanordnung beschrieben, bei der die zwischen dem Motor und und dem Fahrzeugaufbau angeordneten Dämpfungsglieder außer Teilen aus elastomerem Material, die eine elastische Abstützung bewirken, zwei Kammern aufweisen, die über einen oder mehrere Drosselkanäle miteinander in Flüssigkeitsverbindung stehen. Die Kammern sind mit der ERF gefüllt, und Elektroden sind derart in dem Drosselkanal oder den Drosselkanälen angeordnet, daß die durch den Drosselkanal strömende Flüssigkeit einer Spannung ausgesetzt ist, durch die die Viskosität der Flüssigkeit spürbar geändert wird.

Bei dieser Anordnung wird die Spannung in Abhängigkeit von einem Betrieb­ sparameter des Motors, beispielsweise der Drehzahl, in der Weise gesteuert, daß eine selektive Steuerung der dynamischen Federkonstanten und des Ver­ lustfaktors des Dämpfungsgliedes in einer Anzahl unterschiedlicher Fre­ quenzbereiche ermöglicht wird.

Eine ähnliche Aufhängungsanordnung ist aus Hofmann: "Neue Konzepte für Motorlagerungen", Automobilindustrie, Nr. 6/88, Seiten 657 bis 667, be­ kannt. In der letztgenannten Veröffentlichung wird darauf hingewiesen, daß ein ideales Motorlager sehr unterschiedlichen Anforderungen genügen muß, weil beispielsweise zur Bekämpfung des Motorschüttelns hohe Steifigkeiten und/oder hohe Dämpfungseigenschaften des Lagers notwendig sind, während zur Unterdrückung von Leerlauf-Vibrationen ab 25 Hz geringe Steifigkeiten benötigt werden, und daß es bei einem aktiven Lager mit ERF möglich ist, durch stufenlose Variation der Spannung eine große Bandbreite unterschied­ licher Charakteristiken des Lagers einzustellen. In mehreren Diagrammen wird die Frequenzabhängigkeit der dynamischen Federkonstanten und des Verlustwinkels eines solchen Lagers für unterschiedliche Spannungen und unterschiedliche Schwingungsamplituden des Motors dargestellt.

In der DE 36 05 579 A1 wird ein aktives Hydrolager beschrieben, bei dem nicht mit einer ERF, sondern mit einem variablen Drosselquerschnitt gear­ beitet wird, und es wird eine Kennfeldsteuerung des Motorlagers in Abhän­ gigkeit von einer Vielzahl von Betriebsparametern beschrieben.

Bei den herkömmlichen Dämpfungsgliedern mit ERF wird jedoch nicht aus­ reichend berücksichtigt, daß die Abhängigkeit der Viskosität der ERF von dem Durchsatz, mit dem die ERF durch die Drosselkanäle strömt, einen maßgeblichen Einfluß auf die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Spitzenwert der Bodenschwingungen des Fahrzeugs hat. Zur Erläu­ terung dieses Effektes soll bereits hier auf Fig. 7 der Zeichnung Bezug ge­ nommen werden.

Die optimale Spannung, die eine maximale Dämpfung des Spitzenwertes der Bodenschwingungen ergibt, ist in Fig. 7 jeweils durch schwarze Punkte ge­ kennzeichnet. Wenn beispielsweise starke Motorvibrationen (Motorschütteln) auftreten und die maxiale Spannung an die Elektroden angelegt wird, wäh­ rend der Strömungsdurchsatz hoch ist, ergeben sich keine Probleme. Wenn jedoch der Strömungsdurchsatz nur gering ist, wird die Dämpfung des Spit­ zenwertes der Bodenschwingungen beeinträchtigt, wie aus der Graphik in Fig. 7 hervorgeht. Darüber hinaus führt das Anlegen einer hohen Spannung zu einem relativ hohen Energieverbrauch und zu einer Beeinträchtigung der Le­ bensdauer einer Anzahl von Komponenten der Aufhängungsanordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Dämpfungsglied der ein­ gangs genannten Gattung die Schwingungsdämpfung (beispielsweise bei Mo­ torschütteln im Leerlauf) zu verbessern, den Energieverbrauch zu senken und die Lebensdauer der Komponenten der Aufhängungsanordnung zu verlängern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Dämpfungsglied nach Anspruch 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Dämpfungsglied einer Aufhängungsan­ ordnung;

Fig. 2 ein Diagramm, das die dynamische Federkonstante bzw. den Dämpfungsfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bei hoher und niedriger Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit angibt;

Fig. 3 eine Graphik, die den Verlustfaktor in Abhängigkeit von der dy­ namischen Federkonstanten angibt und die Beziehung zwischen der dynamischen Federkonstanten, dem Verlustfaktor, dem Strömungsdurchsatz der Flüssigkeit und der angelegten Span­ nung illustriert;

Fig. 4 eine Graphik zur Illustration der Beziehung zwischen dem Ver­ hältnis der Vertikalschwingungsamplitude des Fahrzeug-Boden­ blechs zur Schwingung am Anregungspunkt und der Frequenz;

Fig. 5 ein Verlustfaktor/Federkonstanten-Diagrainin zur Erläuterung des Effekts der Auslenkung des Motors relativ zum Fahrzeugauf­ bau;

Fig. 6 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung der an die Elektroden des Dämpfungsgliedes angelegten Spannung; und

Fig. 7 ein Diagramm zur Illustration der Beziehung zwischen dem Scheitelwert der Bodenschwingungen und der angelegten Span­ nung bei unterschiedlichen Strömungsdurchsätzen der elek­ trorheologischen Flüssigkeit.

In Fig. 1 ist ein Dämpfungsglied 1 dargestellt, das zwischen einer nicht ge­ zeigten Brennkraftmaschine und dem ebenfalls nicht gezeigten Rahmen eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Das Dämpfungsglied weist ein Innenteil 2, ein zylindrisches Außenteil 3 und einen elastomeren Körper 4 auf, der fest daran befestigt ist. Eine relativ dünne rohrförmige Schicht oder Membran 5 aus ela­ stomerem Material ist zwischen dem äußeren Umfang des elastomeren Kör­ pers 4 und dem inneren Umfang des Außenteils 3 angeordnet.

Der elastomere Körper 4 ist derart mit geeigneten Öffnungen versehen, daß er eine Hauptkammer 6, eine Hilfskammer oder Ausdehnungskammer 7 und einen Luftspalt 7b bildet, der von der Hilfskammer 7 hermetisch durch eine flexible Membran 7a getrennt ist. Außerdem ist der elastomere Körper 4 mit bogenförmigen Kanälen 8 versehen. Diese Kanäle bilden Drosselkanäle 10 und 11, über die eine elektrorheologische Flüssigkeit (ERF) zwischen der Hauptkammer 6 und der Hilfskammer 7 hin und zurück gepumpt werden kann (durch die Schwingungen des Dämpfungsgliedes).

Die Hauptkammer, die Hilfskammer 7 und die Drosselkanäle 10, 11 sind mit der ERF gefüllt die bestimmte Änderungen ihrer Viskosität zeigt, wenn sie einer bestimmten Spannung ausgesetzt ist.

Elektroden 12a, 12b und 13a, 13b sind in der gezeigten Weise in den Dros­ selkanälen angeordnet und elektrisch mit einer Spannungsquelle 16 verbun­ den. Die Spannungsquelle wird durch eine Steuereinrichtung 15 gesteuert, die Eingangsdaten von einem Fahrzeuggeschwindigkeltssensor 17 und von ersten und zweiten Beschleunigungssensoren 18 und 19 erhält.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Beschleunigungssensor in der Nähe der Aufhängungsstelle an dem Motor angeordnet, so daß er ein Be­ schleunigungssignal G₁ liefert, das die Schwingungs-Beschleunigung des- Mo­ tors an diesem Punkt angibt. Der zweite Beschleunigungssensor ist in der Nä­ he der Aufhängungsstelle des Motors am Fahrzeugrahmen montiert und lie­ fert ein Ausgangssignal G₂.

Die Steuereinrichtung 15 enthält einen Mikroprozessor und bestimmt in Ab­ hängigkeit von den Eingangsdaten die geeigneten Zeitpunkte und Spannun­ gen, die an die Elektroden 12a, 12b und 13a, 13b anzulegen sind, und liefert entsprechende Steuersignale an die Spannungsquelle 16.

Falls es sich bei dem Motor um eine Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschi­ ne handelt, so ist die dominierende Schwingung des Motors die zweite Ober­ schwingung, wohingegen bei einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine vor­ wiegend die dritte Oberschwingung erzeugt wird.

Gemäß Fig. 2 sind deshalb die Masse der Flüssigkeitsvolumen der elek­ trorheolgischen Flüssigkeit in den Drosselkanälen 10, 11, die Federkonstante des elastomeren Körpers in Dehnungsrichtung und die sich hieraus ergeben­ de Resonanzfrequenz der Aufhängungsanordnung so gewählt, daß die Reso­ nanzfrequenz in einem Bereich in der Nähe der betreffenden Oberschwin­ gung liegt, wenn sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet, und daß eine niedrige dynamische Federkonstante erzielt wird (Fig. 2).

Wenn eine Spannung an die Elektroden in den Drosselkanälen angelegt wird, so wirkt sich dies auf die dynamische Federkonstante, die sich aus der Feder­ konstanten Ks in Vertikalrichtung und der Ausdehnungs-Federkonstanten Ko zusammensetzt, so aus, daß die Ausdehnungs-Federkonstante Ko stärker zur Gesamt-Federkonstanten des Dämpfungsgliedes beiträgt. Durch Erhöhen der Viskosität der ERF in den Drosselkanälen ist es möglich, diesen Effekt zu verstärken. Andererseits wird der Verlustfaktor oder Dämpfungsfaktor durch die Form und die Abmessungen der Drosselkanäle im Zusammenhang mit der Viskosität beeinflußt. Somit ist es durch Steuerung der an die Elektroden 12a, 12b und 13a, 13b angelegten Spannung möglich, sowohl die dynamische Federkonstante als auch den Verlustfaktor zu steuern.

Durch Erhöhen der Viskosität der ERF auf einen hohen Wert kann das Dämp­ fungsglied in einen Zustand gebracht werden, in der es eine dynamische Fe­ derkonstante und einen Dämpfungsfaktor gemäß der in Fig. 2 durch gestrichelte Linien gezeigten Charakteristik aufweist. Wenn dagegen die Viskosität klein ist, ergibt sich die Charakteristik, die in Fig. 2 durch eine durchgezo­ gene Linie angegeben wird. Wenn die Schwingung im Bereich des Motor­ schüttelns liegt, wird deshalb eine Spannung angelegt, so daß sich eine rela­ tiv hohe dynamische Federkonstante und ein hoher Verlustfaktor ergibt, während, wenn die Schwingung im Leerlaufbereich liegt, die Elektroden nicht unter Spannung gesetzt werden, so daß sich eine kleinere dynamische Federkonstante und ein kleinerer Dämpfungsfaktor ergeben.

Die Viskosität der ERF in den Drosselkanälen verhält sich jedoch so, daß es bei einem hohen Strömungsdurchsatz der Flüssigkeit nicht möglich ist, die Viskosität auf einen hohen Wert zu erhöhen, so daß die Charakteristik von der in der Zeichnung gestrichelt eingezeichneten Kurve abweicht.

Wenn der Strömungsdurchsatz hoch ist, ist es deshalb nicht möglich, die Viskosität auf einen hohen Wert zu erhöhen, und der Effekt auf die Ausdeh­ nungs-Federkonstante Ko ist nur gering, wie durch B in Fig. 3 angegeben wird, und der Gesamteffekt auf die dynamische Federkonstante des Dämpfungsgliedes ist entsprechend gering. Wenn andererseits der Strömungs­ durchsatz der Flüssigkeit gering ist, nimmt die Viskosität spürbar zu, und es ergibt sieh ein großer Effekt auf die dynamische Federkonstante, wie durch C in Fig. 3 angegeben wird. Somit ergibt sich ein starker Einfluß auf die dyna­ mische Federkonstante des Dämpfungsgliedes insgesamt. Wenn der Strö­ mungsdurchsatz einen mittleren Wert aufweist, ergibt sich ein Effekt gemäß D in Fig. 3.

Wie weiterhin aus Fig. 3 hervorgeht, zeigt der Dämpfungsfaktor einen An­ stieg, wenn der Strömungsdurchsatz einen hohen Wert aufweist und eine Spannung an die Elektroden im Drosselkanal angelegt wird. Bei einem gerin­ gen Strömungsdurchsatz ist dagegen der Anstieg der Viskosität derart, daß der Dämpfungsfaktor verringert wird und sich eine entsprechend geringere Dämpfungswirkung ergibt.

Der Scheitelwert der Bodenvibrationen im Bereich des Motorschüttelns (= 10 Hz) ist in Fig. 4 als Verhältnis der vertikalen Bodenschwingung zur Schwingung am Anregungspunkt illustriert und ist in Fig. 5 in einem Dia­ gramm eingetragen, das in der gleichen Weise wie Fig. 3 die Beziehung zwi­ schen der dynamischen Federkonstanten und dem Dämpfungsfaktor angibt.

Anhand von Kennfeldern der in Fig. 5 gezeigten Art ist es möglich, im Be­ reich des Motorschüttelns den Spannungswert zu ermitteln, bei dem sich eine maximale Dämpfung des Motorschüttelns ergibt.

Die Kennfelder der in Fig. 5 gezeigten Art variieren je nach Typ des Mo­ tor/Rahmen-Systems und müssen jeweils im Einzelfall bestimmt werden.

Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Spannung, das von dem Mikroprozessor in der Steuereinrichtung 15 ausgeführt wird. In den ersten beiden Schritten 1001 und 1002 wird die Fahrzeuggeschwindig­ keit V gelesen und entschieden, ob das Fahrzeug in Bewegung ist oder nicht. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich Null ist, wird in Schritt 1003 ein Befehl ausgegeben, durch den die angelegte Spannung auf Null gesetzt wird. Danach wird in Schritt 1004 ein entsprechendes Signal ausgegeben.

Wenn dagegen das Fahrzeug in Bewegung ist, wird im Anschluß an Schritt 1002 der Schritt 1005 ausgeführt, in dem die Eingangsdaten von den beiden Beschleunigungssensoren 18 und 19 gelesen werden. Danach wird in Schritt 1006 die Differenz Go = G₁ - G₂ zwischen den Beschleunigungswerten gebil­ det, und in Schritt 1007 wird diese Differenz zweimal nach der Zeit inte­ griert, so daß man die relative Auslenkung x₁ zwischen dem Motor und dem Fahrzeugrahmen erhält. Da es schwierig ist, den Strömungsdurchsatz, mit dem die ERF durch die Drosselkanäle strömt, tatsächlich auf der Grundlage dieser Daten zu bestimmen, ist es erforderlich, eine geeignete Beziehung zwischen diesen beiden Parametern aufzustellen.

In Schritt 1008 wird ein Tabellennachschlag in einer Auslenkungs/Span­ nungs-Tabelle ausgeführt, die gemäß den in Fig. 5 gezeigten Kurven ange­ legt ist, um die Spannung zu bestimmen, bei der sich eine maximale Dämp­ fung des Motorschüttelns ergibt.

Wenn die relative Auslenkung x₁ groß ist (beispielsweise bei einer Amplitude in der Größenordnung von ± 2,0 mm) wird die in Fig. 5 durch die durchge­ zogene Linie B angegebene Charakteristik erzeugt und ein Spannungs-Steuer­ bereich mit einem maximalen Spannungswert P₁ wird für die Steuerung ein­ gestellt. Wenn dagegen die relative Auslenkung zwischen dem Motor und dem Rahmen relativ klein ist (bei einer Amplitude in der Größenordnung von ± 0,1 mm) wird die durch die Kurve C gezeigte Charakteristik erzeugt, und die Schwingungsdämpfungs-Spannung wird in einem Bereich mit dem mini­ malen Wert P₂ eingestellt (der etwas größer ist als der Wert P₁). Bei mittle­ ren Auslenkungswerten kann die durch die strichpunktierte Kurve D in Fig. 5 angegebene Charakteristik verwendet werden.

Anstelle des oben beschriebenen Anlegens von Kennfeldern und Tabellen sind auch andere Verfahren und/oder Datensätze anwendbar, die es gestat­ ten, die Schwingungsauslenkung oder einen vergleichbaren Parametertyp (beispielsweise die Druckänderung in der Hauptkammer 6) zu verwenden, um näherungsweise den aktuellen Strömungsdurchsatz in den Drosselkanä­ len zu bestimmen.

Da bei dem oben beschriebenen Steuerverfahren nicht ständig die maximal mögliche Spannung an die Elektroden 12a, 12b und 13a, 13b in den Dros­ selkanälen angelegt wird, wird ein unnötig hoher Stromverbrauch vermie­ den, und die Lebensdauer der Teile, die den hohen Spannungen ausgesetzt sind, wird verlängert.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von zwei Beschleunigungssenso­ ren zur Bestimmung des Strömungsdurchsatzes der ERF in den Drosselkanä­ len beschränkt. Wahlweise ist es auch möglich, einen Drucksensor in der Hauptkammer 6 anzuordnen oder den Grad der Verformung des elastomeren Körpers 4 zu ermitteln. Zur Bestimmung der Höhe der angelegten Spannung kann im Rahmen der Erfindung auch die Motordrehzahl als Steuerparameter herangezogen werden.

Claims (4)

1. Dämpfungsglied für eine schwingungsdämpfende Aufhängungsanordnung mit durch wenigstens einen Drosselkanal (10, 11) verbundenen ersten und zweiten Kammern (6, 7), die mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit ge­ füllt sind, in dem Drosselkanal oder den Drosselkanälen angeordneten Elek­ troden (12a, 12b; 13a, 13b) zum Anlegen einer Spannung an die elektrorheolo­ gische Flüssigkeit und einer Steuereinrichtung (15) zur Steuerung der an die Elektroden angelegten Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sen­ soreinrichtung (18, 19) zur Messung der schwingungsbedingten Auslenkung (x1) als Maß für den Strömungsdurchsatz der elektrorheologischen Flüssig­ keit durch den Drosselkanal (10, 11) vorgesehen ist und daß die Steuereinrichtung (15) die an die Elektroden (12a, 12b; 13a, 13b) anzulegende Spannung anhand einer die Abhängigkeit der Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit von dem Strömungsdurchsatz berücksichtigenden Beziehung (Tabelle 1008) in Abhängigkeit von der Auslenkungg (x1) bestimmt.

2. Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwi­ schen einem Motor und einem Rahmen eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist und daß die gemessene Auslenkung (x1) die relative Auslenkung zwischen dem Motor und dem Rahmen ist.

3. Dämpfungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung einen an dem Motor angeordneten ersten Beschleuni­ gungssensor (18) und einen an dem Rahmen angeordneten zweiten Be­ schleunigungssensor (19) aufweist und daß die Steuereinrichtung (15) die Auslenkung (x1) anhand der Beschleunigungssignale (G₁, G₂) der Beschleuni­ gungssensoren (18, 19) berechnet.

4. Dämpfungsglied nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einrichtung zur Messung der Schwingungsfrequenz des Motors vorgesehen ist und daß die Steuereinrichtung (15) die in Abhängig­ keit von der Auslenkung (x1) bestimmte Spannung für die Elektroden (12a, 12b; 13a, 13b) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingungsfre­ quenz an- und abschaltet.