DE4122351C2

DE4122351C2 - Hydraulisches System mit elektrorheologischer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE4122351C2
Application number: DE19914122351
Authority: DE
Inventors: Michael Stoppert
Original assignee: Metzeler Gimetall AG
Current assignee: Metzeler Gimetall AG
Priority date: 1991-07-05
Filing date: 1991-07-05
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2011-07-06
Also published as: DE4122351A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches System mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit in einem Strömungskanal zwischen Elektroden, an welche eine elek trische Spannung zum Ändern der Viskosität der Flüssig keit anlegbar ist, um eine nach außen wirkende Ausgangs größe des Systems zu übertragen, wobei ein Hochspannungsver stärker ausgebildet ist, aus einem an seinem Eingang an liegenden Steuersignal eine Hochspannung gemäß einer gegebenen Übertragungsfunktion an seinem Ausgang zu erzeugen und an die Elektroden abzuge ben, und wobei ein elektrisches Meßsystem ausgebildet ist, ein Meßsignal zu erzeugen, welches die Ausgangs größe als Regelgröße des hydraulischen Systems repräsen tiert.

Ein solches System ist aus der EP-A-0 238 942 bekannt und findet in elektrisch gesteuerten aktiven Schwin gungsdämpfern, Stoßdämpfern, Lagerungen oder Kupplungen Verwendung. Die zwischen den Elektroden befindliche elektroviskose Flüssigkeitsschicht bildet das Stellglied und zugleich den Meßfühler für einen rückzukoppelnden Bewegungs-Istwert. Die zur optimalen Viskositätssteu erung notwendige Spannung wird über einen nicht näher offenbarten Regelalgorithmus erzeugt.

EP-A-0 137 112 lehrt ein hydraulisch dämpfendes Zweikam mer-Motorlagers insbesondere zur Verwendung in Kraft fahrzeugen. Darin stehen zwei Kammern, die gummielasti sche Wände aufweisen und flüssigkeitsgefüllt sind, über einen in einer starren Zwischenplatte vorgesehenen Strö mungskanal hydraulisch miteinander in Verbindung. Zur Ausgestaltung als sog. aktives Lager mit schneller An passung an wechselnde Betriebsbedingungen sind die Kam mern mit einer elektroviskosen Flüssigkeit (einem elektrorheologischen Fluid) gefüllt, deren Viskosität gesteuert wird, indem an den Strömungskanal ein elektri sches Feld quer zur Strömungsrichtung angelegt wird.

Geeignete elektrorheologische Flüssigkeiten sind in der vorgenannten Druckschrift offenbart; es handelt sich z. B. um Dispersionen feinverteilter, elektrisch polari sierbarer Feststoffe in elektrisch hochisolierenden Ölen. Unter Einfluß hoher elektrischer Feldstärken kann die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit sehr schnell und reversibel vom flüssigen bis zum plastischen oder festen Zustand verändert werden. Zur Anregung der elektrorheologischen Flüssigkeit sind Gleich- oder Wech selfelder einsetzbar. Vorteilhafte elektrorheologische Flüssigkeiten zeichnen sich dadurch aus, daß ihre elek trische Leistungsaufnahme sehr gering im Verhältnis zur erzielten Wirkung ist.

Weitere an sich bekannte Anwendungsmöglichkeiten elek troviskoser Flüssigkeiten in hydraulischen Systemen sind beispielsweise Hydraulikventile ohne bewegte Teile oder Hydraulikzylinder (z. B. US-A-2 661 596), Vibratoren (z. B. US-A-3 984 086), Viskositätskupplungen (z. B. US-A-2 417 850, US-A-2 661 825, DE-A-31 28 959) oder Stoßdämpfer (z. B. US-A-3 207 269).

All diesen hydraulischen Systemen ist gemeinsam, daß sie mindestens zwei feste oder bewegliche, beliebig gestal tete Elektrodenflächen besitzen, zwischen denen sich die elektrorheologische Flüssigkeit befindet. Durch den Be trag der elektrischen Feldstärke kann der Strömungs- oder Verdrängungswiderstand der elektrorheologischen Flüssigkeit eingestellt werden. Durch einen Hochspan nungsverstärker kann die Elektrodenspannung im Prinzip über weite Bereiche in reproduzierbarer Weise einge stellt werden, indem geeignete Algorithmen und Übertra gungsfunktionen für die Ansteuerung des Hochspannungs verstärkers gewählt werden.

Eine optimale Einstellung auf rasch wechselnde Betriebs bedingungen ist bei den bekannten hydraulischen Systemen jedoch nicht möglich. Dies gilt insbesondere beim Auf treten von Störgrößen, die sich bei Motorlagern etc. etwa in Form von Motorschwingungen, Fahrbahnunebenheiten oder dergleichen der Regelstrecke überlagern.

Daher besteht die Aufgabe, daß die Einstellung der Elek trodenspannung über weite Bereiche reproduzierbar und in Abhängigkeit von rasch wechselnden Betriebsbedingungen durchführbar sein soll, wobei es auch möglich sein soll, Störgrößen frühzeitig zu berücksichtigen.

Diese Aufgabe wird in einem gattungsgemäßen hydrauli schen System durch Hinzunahme folgender Merkmale gelöst:

- einen Meßaufnehmer zur Aufnahme einer die Regel größe überlagernden Störgröße oder zur Aufnahme einer die Störgröße verursachenden Grundgröße,
- einen Führungsgenerator zur Erzeugung einer Füh rungsgröße für die Regelgröße, wobei der Führungsgenera tor ausgebildet ist, die Führungsgröße in Abhängigkeit von der vom Meßaufnehmer aufgenommenen Größe zu erzeu gen;
- eine Vergleichseinrichtung zur Erzeugung eines Differenzsignals aus Regelgröße und Führungsgröße; und
- einen Regler zur Verarbeitung des Differenzsi gnals und zur Ansteuerung des Hochspannungsverstärkers.

Die Regelung des hydraulischen Systems kann durch diese Maßnahmen vorteilhaft Störgrößen, die am Eingang einer hydraulischen Strecke auftreten, vor ihrer Übertragung zum Ausgang kompensieren.

Der Hochspannungsverstärker wird als Teil eines Regel kreises in dem hydraulischen System betrieben, wobei die Ausgangsgröße des Systems gemessen, mit einer Führungs größe verglichen und über einen Regler an den Eingang des Hochspannungsverstärkers gelegt wird. Die Rückkopp lung des Istwerts der Ausgangsgröße ermöglicht eine kon trollierte und genaue Heranführung der Ausgangsgröße an die Führungsgröße.

Regelabweichungen können besonders klein gehalten wer den, wenn eine die Regelgröße überlagernde Störgröße - oder eine die Störgröße verursachende Grundgröße - durch einen Meßaufnehmer erfaßt und bei der Bildung der Füh rungsgröße oder im Regler bereits berücksichtigt wird. Eine Störgröße kann eine Kraft oder sonstige physikali sche Größe sein, die sich einem hydraulischen Lager überlagert, wenn z. B. ein hydraulisch gelagerter Motor pendelt. Eine diese Störgröße verursachende Grundgröße kann insbesondere eine Drehzahl oder Drehzahlveränderung oder lineare Bewegung eines Motors oder einer sonstigen mit dem hydraulischen System in Verbindung stehenden Vorrichtung sein.

Der Regler kann beispielsweise ein analoger oder digita ler Rechner sein und als solcher vorteilhaft z. B. auch den Führungsgenerator in sich vereinigen. Ebenso kann der Regler vorteilhaft eine etwa nicht-proportionale Übertragungsfunktion des Hochspannungsverstärkers be reits bei der Erzeugung des Steuersignals kompensieren.

Anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbei spiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Diagramm 1 den Verlauf (nach Betrag und Phase) der dyna mischen Steifigkeit eines aktiven hydraulischen La gers mit elektrorheologischer Flüssigkeit, bei Ver wendung verschiedener Reglertypen;

Diagramm 2 den Verlauf der dynamischen Steifigkeit des aktiven hydraulischen Lagers bei Verwendung eines verstellbaren Resonanzreglers;

Diagramm 3 den Verlauf der dynamischen Steifigkeit des aktiven hydraulischen Lagers bei Anlegen verschie dener Steuerspannungen;

Diagramm 4 den Verlauf der dynamischen Steifigkeit einer aktiven Dämpfer-Feder-Anordnung bei Verwendung von Reglern oder bei Steuerung;

Diagramm 5 den Verlauf der dynamischen Steifigkeit einer aktiven Dämpfer-Feder-Anordnung bei Verwendung ei nes verstellbaren Resonanzreglers; und

Fig. 6 schematisch ein aktives hydraulisches Lager mit elektrorheologischer Flüssigkeit, in einem Regel kreis mit einem Hochspannungsverstärker zur Span nungsbeaufschlagung der Lagerelektroden.

In dem Regelkreis nach Fig. 6 ist ein aktives hydrauli sches, mit elektrorheologischer Flüssigkeit ERF gefüll tes Lager verallgemeinert als Größenumformer GU bezeich net, denn es wandelt eine über (nicht dargestellte) Elektroden angelegte elektrische Hochspannung y _h′ in eine andere physikalische Größe, hier z. B. eine (Wider stands-)Kraft y, um. (Unterstreichung bedeutet jeweils, daß es sich im mathematischen Modell um komplexe Größen handelt, mit denen mittels Fourier- oder Laplace-Trans formation im Frequenzbereich gerechnet werden kann.) Dieser Kraft überlagert sich als Störgröße eine äußere Kraft z, etwa eine Beschleunigungskraft, die auf ein Mo torlager wirkt, wenn ein Motorfahrzeug auf unebener Fahrbahn fährt. Die mechanische Funktion, die sich aus der Überlagerung von Störgröße z und Stellgröße y er gibt, wird über eine von einem ERF-Dämpfersystem verkör perte Regelstrecke (als Ersatzstrecke dargestellt) über tragen. Am Ausgang der Regelstrecke tritt als Regelgröße ein Weg x, d. h. ein Hub oder eine Auslenkung, auf.

Der Weg x wird von einem Meßsystem, das aus einem Meß umformer MU und einer Meßbrücke MV besteht, erfaßt. Der Weg-Istwert x wird z. B. als analoge oder digitale Span nung x′ wiedergegeben. Diesem Istwert wird eine von ei nem Führungsgenerator G erzeugte Führungsgröße w in ei ner Vergleichseinrichtung gegenübergestellt, wodurch ein Differenzsignal x _w′=x′ - w aus der Regelgröße x und der Führungsgröße w gebildet wird. Das Differenzsignal ge langt an den Eingang eines Reglers R_E zur Verarbeitung des Differenzsignals, Ausgabe eines Steuersignals y′ und Ansteuerung eines nachgeschalteten Hochspannungsverstär kers HSV.

Der Hochspannungsverstärker HSV bildet aus dem an seinem Eingang analog oder digital anliegenden Steuersignal y′ niedrigen Spannungsniveaus eine analoge Hochspannung y _h′ von einigen Kilovolt gemäß einer gegebenen Übertragungs funktion und beaufschlagt damit die Elektroden des ERF-Größenumformers GU. Damit ist der Regelkreis ge schlossen.

Wenn der Hochspannungsverstärker HSV infolge seiner Übertragungscharakteristik betrags-, frequenz- oder zeitabhängig zur Reglerfunktion beiträgt, also ein nicht-proportionales Übertragungsverhalten aufweist, kann dies durch Auswahl einer geeigneten Reglerfunktion vorab kompensiert werden.

Ein weiter verbessertes Regelverhalten, im Sinne von nach Ausmaß und Dauer möglichst geringen Abweichungen zwischen Istwert x und Sollwert w, läßt sich erzielen, indem ein Meßaufnehmer eine die Regelgröße x überla gernde Störgröße (etwa z) oder eine die Störgröße (z) verursachende Grundgröße (insbesondere eine Drehzahl oder Bewegung einer mit dem hydraulischen System in Ver bindung stehenden Vorrichtung, etwa eines Motors) auf nimmt. Die aufgenommene Größe kann dann vorausschauend (d. h. bereits bevor sie sich auf die Regelgröße voll auswirkt) ausgeregelt werden; z. B. kann der Führungsge nerator G die Führungsgröße w in Abhängigkeit von der vom Meßaufnehmer aufgenommenen Größe erzeugen, oder der Regler R_E ist ausgebildet, das Steuersignal y′ in Abhän gigkeit von der vom Meßaufnehmer aufgenommenen Größe zu bilden.

Der Regler R_E ist durch eine Regelelektronik verkörpert und kann eine analoge oder digitale Recheneinheit sein; in dieser Eigenschaft kann er auch zur Erzeugung der Führungsgröße w herangezogen werden.

Wenn etwa die Betriebsbedingungen des aktiven hydrauli schen Lagers bekannt sind, das heißt, wenn die Anforde rungen an das Übertragungsverhalten der Regelstrecke mehr oder minder festliegen, und die Regelstrecke sich reproduzierbar verhält, dann läßt sich der Hochspan nungsverstärker HSV auch ohne Erfassung der Ausgangs größe x, d. h. ohne Rückkopplung, sondern mit offenem Re gelkreis, - also in einer Steuerkette - ansteuern.

Hierzu kann anstelle des vorher im Regelkreis vorhande nen Meßsystems MU, MV ein (nicht näher dargestellter) Funktionsgenerator vorgesehen werden, der das gewünschte Übertragungsverhalten der Steuerkette fest legt. Im einfachsten Fall führt z. B. bereits eine Gleichspannung zu einer von der Grundübertragungs funktion der Strecke abweichenden Übertragungsfunktion.

Eine Mischung aus Regelung und Steuerung ist insofern möglich, als zwar die Ausgangsgröße x nicht erfaßt wird, aber ein Meßaufnehmer vorgesehen werden kann, der eine die Ausgangsgröße x überlagernde Störgröße (etwa z) oder eine die Störgröße (z) verursachende Grundgröße auf nimmt, wobei der Funktionsgenerator oder die Rechenein heit R_E ausgebildet ist, den Hochspannungsverstärker HSV in Abhängigkeit von der vom Meßaufnehmer aufgenommenen Größe kompensierend anzusteuern.

Das hydraulische ERF-System stellt im Regelkreis bzw. in der Steuerkette drei Bestandteile zugleich dar:

a) Der Größenumformer GU wird von der elektro rheologischen Flüssigkeit ERF verwirklicht, indem sie aus zwischen den Elektroden des Systems liegenden elek trischen Feldern die mechanischen Stellfunktionen - wie z. B. Kraft über Viskosität - formt.
b) Ein Stellglied wird vom gesamten hydraulischen System (einschließlich ERF) gebildet, indem die jewei lige Viskosität der ERF im hydraulischen System ihren mechanischen Widerstand der Störgröße überlagert.
c) Die Strecke ist ebenfalls durch das gesamte hy draulische System mit ERF verkörpert; sie hat eine be stimmbare Grundübertragungsfunktion bezüglich der auf tretenden Störgrößen, die am Stellglied nach Betrag und Phase durch die mechanischen Stellgrößen überlagert wer den.

Zusammengefaßt kann man die im hydraulischen ERF-System verwirklichte Dreifachfunktion - Größenumformer, Stellglied, Strecke - anschaulich gleichsam als mechani schen Transistor mit elektrischer Ansteuerbarkeit auf fassen.

Zum Aufbau des Regelkreises bzw. der Steuerkette lassen sich an sich bekannte Bauelemente der Steuer- und Rege lungstechnik verwenden. Beim Regelkreis verwendet man vorzugsweise ein präzises, von der variablen Leitfähig keit und Dielektrizitätszahl der ERF unabhängiges Meß system zur Aufnahme der Regelgröße. Ein solches Meß system kann vom Aufbau des hydraulischen Systems unab hängig und für verschiedene ERF-Systeme passend ausgewählt werden.

Im folgenden wird auf die Diagramme 1 bis 5 eingegangen, für deren Erstellung ein Prüfstand mit Hydropulser und sinusförmiger Krafterregung verwendet wurde.

Diagramm 1 zeigt den Verlauf (nach Betrag und Phase) der dynamischen Steifigkeit eines aktiven Lagers über der Frequenz, einmal ohne elektrische Beaufschlagung (durch gezogene Linie) und ansonsten bei Verwendung verschiede ner Reglertypen (Differential-, Proportional-, Inte gral-Regler). Es wird deutlich, daß der jeweilige Reg lertyp über Betrag und Phase der Systemsteifigkeit entscheidet. Es können unterschiedliche Phasen bei glei cher Steifigkeit oder unterschiedliche Steifigkeiten bei gleicher Phase gezielt auf bestimmte Frequenzen gelegt oder auch breitbandig eingeregelt werden. Die hohen Pha sen im Diagramm - anstelle der niedrigen Grundphase - wurden über frequenzabhängig phasenbehaftete Reglerty pen, die beispielsweise I- oder D-Anteile (Integral- oder Differential-Anteile) besitzen, erzeugt. Da die elektrorheologische Flüssigkeit in gleicher Weise auf positive wie negative Spannung mit Viskositätsänderung reagiert, geht die elektrisch vorgegebene Phase immer positiv in die dynamische Steifigkeit ein. Wegen des gu ten Ansprechverhaltens der ERF lassen sich phasen behaftete und phasenfreie Regler beliebig überlagern. Die resultierenden Mischformen sind im Diagramm eben falls dargestellt. Die Kombination eines P- und eines DT₁-Reglers führt zu der PDT₁-Kennlinie, die Kombination eines P- und eines I-Reglers führt zu der PI-Kennlinie.

Diagramm 2 zeigt das Ergebnis eines frequenzabhängigen Reglers, der jeweils in 10 Hz-Schritten von 10 bis 90 Hz auf Eigenresonanz gestellt wurde.

Diagramm 3 wurde bei gesteuertem Lager aufgenommen. Die einfachste Form der Steuerung wurde hier mit jeweils fest eingestellten Gleichspannungen über den gesamten Schwingungsfrequenzbereich realisiert. Es entstehen von der bei 0 Volt aufgenommenen Grundkennlinie abweichende Linien. Der Vergleich mit den geregelten Verläufen des gleichen Lagers (Diagramme 1 und 2) zeigt, daß die Steu erung theoriegemäß zu gänzlich anderen Ergebnissen führt.

Ähnlich wie das aktive Lager wird ein aktiver Dämpfer betrieben. Er wird beispielsweise in einem Federbein als Stoßdämpfer eingesetzt. Es ist wieder eine Kraft die Störgröße und ein Weg die Regel- bzw. Steuergröße. Bei Modellversuchen mit einer Schraubenfeder-ERF-Dämpfer anordnung wurden Kennlinien wie in Diagramm 4 aufgenom men. Analog zu den Lagerversuchen entscheidet die Art des Reglers bzw. der Ansteuerung darüber, wie das Ergeb nis in Betrag und Phase von der ohne Beaufschlagung er mittelten Grundkennlinie abweicht.

Diagramm 5 wurde mit einem frequenzabhängigen Regler aufgenommen, der sukzessive auf verschiedene Eigenreso nanzfrequenzen abgestimmt wurde.

Auch Ventil-Regelkreise bzw. -Steuerketten lassen sich mit elektrorheologischen Systemen aufbauen. Die Stör größe bei einem ERF-Ventil ist der Druck am Eingang des Systems, die Regel- bzw. Steuergröße ist der Druck am Ausgang, dessen Kehrwert vom Meßsystem oder Regler ge bildet werden kann. Die Regelgröße kann auch indirekt, z. B. über die Kraft als Wirkung einer hydraulischen Ma schine, erfaßt werden.

Ein solches ERF-Ventilsystem dient vor allem der gere gelten bzw. gesteuerten Druckreduktion oder -konstant haltung in hydraulischen, mit ERF betriebenen Anlagen. Größenumformer, Strecke und Stellglied sind im einfach sten Fall in einem von der ERF durchströmten Metallplattenpaar (Plattenkondensator) zur Felderzeugung verkörpert.

Claims

1. Hydraulisches System mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit (ERF) in einem Strömungskanal zwischen Elektroden, an welche eine elektrische Spannung (y _n′) zum Ändern der Viskosität der Flüssigkeit (ERF) anlegbar ist, um eine nach außen wirkende Ausgangsgröße (x) des Systems zu übertragen, wobei ein Hochspannungsverstärker (HSV) ausgebildet ist, aus einem an seinem Eingang anliegenden Steuersignal (y′) eine Hochspannung (y _n′)gemäß einer gegebenen Übertragungsfunktion an seinem Aus gang zu erzeugen und an die Elektroden abzugeben, und wobei ein elektrisches Meßsystem (MU, MV) aus gebildet ist, ein Meßsignal (x′) zu erzeugen, wel ches die Ausgangsgröße (x) als Regelgröße des hydraulischen Systems repräsentiert; gekennzeichnet durch

- einen Meßaufnehmer zur Aufnahme einer die Regel größe (x′) überlagernden Störgröße (z) oder zur Auf nahme einer die Störgröße (z) verursachenden Grund größe,
- einen Führungsgenerator (G) zur Erzeugung einer Führungsgröße (w) für die Regelgröße (x), wobei der Führungsgenerator (G) ausgebildet ist, die Füh rungsgröße (w) in Abhängigkeit von der vom Meßauf nehmer aufgenommenen Größe (z) zu erzeugen;
- eine Vergleichseinrichtung zur Erzeugung eines Differenzsignals (x _w′ = x′-w) aus Regelgröße (x) und Führungsgröße (w); und
- einen Regler (R_E) zur Verarbeitung des Differenz signals und zur Ansteuerung des Hochspannungsver stärkers (HSV).

2. Hydraulisches System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die nach außen wirkende Ausgangs größe (x) des Systems ein Weg, eine Geschwindig keit, eine Beschleunigung oder eine Kraft eines Sy stemteils ist.

3. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stör größe (z) verursachende Grundgröße eine Drehzahl oder eine Bewegung einer mit dem hydraulischen Sy stem in Verbindung stehenden Vorrichtung ist.

4. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (R_E) aus gebildet ist, das Steuersignal (y′) in Abhängigkeit von der vom Meßaufnehmer aufgenommenen Größe (z) zu erzeugen.

5. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (R_E) auch zur Erzeugung der Führungsgröße (w) ausgebildet ist.

6. Hydraulisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (R_E) ausgebildet ist, eine nicht-proportionale Übertragungsfunktion des Hochspannungsverstärkers (HSV) zu kompensieren.