DE69408032T2 - Vorrichtung zur Verminderung des Laufgeräusches von Fahrzeugen - Google Patents

Vorrichtung zur Verminderung des Laufgeräusches von Fahrzeugen

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Rollgeräuschen oder Rolischwingungen bei Fahrzeugrädern, enthaltend je Rad eine oder mehrere um die Achswelle dieses Rades herum angeordnete träge Massen, wobei diese Massen mit einem drehbeweglich angeordneten Bauelement verbunden und derart am Rad befestigt sind, daß sie dessen Schwingungen aufnehmen.
  • Zum Ausfiltern von Rollgeräuschen bei Fahrzeugen werden derzeit passive Mittel eingesetzt. Gemäß der europäischen Patentschrift 0 344 923 beispielsweise, die den wichtigsten Stand der Technik darstellt, trägt die Radnabe Dämpfungsmassen, die derart mit Federn verbunden sind, daß ein Verschieben der Massen durch ein Abfließen eines Fluids über Leitungen abgedämpft wird, welche mit einer Dämpfungskammer verbunden sind. Hierbei handelt es sich um ein rein passives Schwingungssystem, das ohne Energiezufuhr von außen und damit wenig effektiv arbeitet. Ein aktives Element, das sogenannte Betätigungselement, befindet sich außerhalb des Rades und ist zwischen dem Fahrzeugunterbau und der Nabe angeordnet.
  • Bei rauhen oder unebenen Verkleidungen, bei denen es am häufigsten zur Entstehung von Rollgeräuschen kommt, ist die Wirksamkeit einer solchen Anordnung bekanntermaßen unzureichend.
  • Um bessere Ergebnisse zu erzielen, werden bei der vorliegenden Erfindung aktive Mittel eingesetzt, d.h. Betatigungselemente, die sich in der Nähe der Räder befinden, damit sie so nah wie möglich an der eigentlichen Quelle der Rollgeräusche wirken. Hierdurch wird es unnötig, eine größere Anzahl solcher Betatigungselemente vorzusehen.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die trägen Massen über gesteuerte Betätigungselemente, bei denen es sich um Motoren mit veränderlichem magnetischen Widerstand handelt, mit dem drehbeweglich angeordneten Bauelement verbunden sind, wobei es sich beim Bauelement um einen Achsschenkel der Achswelle oder stattdessen auch um ein sich drehendes Bauelement, beispielsweise eine Radfelge, handelt, welches auf eine solche Weise mit dem Rad verbunden ist, daß es dessen Schwingungen aufnimmt.
  • Somit wird durch Aktion und Reaktion zwischen dem drehbeweglichen bzw. sich drehenden Bauelement und der wenigstens einen trägen Masse in direktester Weise auf das Bauelement eingewirkt, was es ermöglicht, Schwingungen im gewünschten Frequenzbereich wirksam herauszufiltern. Die wenigstens eine träge Masse dient dabei gleichzeitig als träge Masse und als Stützelement für die aus linearen Motoren mit veränderlichem magnetischen Widerstand bestehende Bauemheit.
  • Die auf das Bauelement übertragenen Kräfte können je nach Anzahl der eingesetzten Motoren entlang einer oder zweier Achsen wirken. So kann beispielsweise eine Anzahl von Motorpaaren verwendet werden, die sich jeweils paarweise gegenüberliegen oder auch in jeder anderen Weise angeordnet und dabei gegenüber der Drehachse des Rades symmetrisch oder asymmetrisch ausgerichtet sein können.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden gesonderte elastische Elemente zur Eindämmung der zwischen der wenigstens einen trägen Masse und dem Bauelement auftretenden statischen Kräfte eingesetzt.
  • Die elastischen Elemente können beispielsweise in jedem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten linearen Motoren angeordnet sein. Hierfür können insbesondere Elastomerblöcke zum Einsatz kommen, die zwischen der wenigstens einen trägen Masse und dem Achsschenkel des Rades festgeklebt sind. Dadurch wird vermieden, daß die Betätigungselemente statische Kräfte aufnehmen müssen; außerdem können die Abmessungen der Betätigungselemente verringert werden, indem die Elastomerblöcke so ausgewählt werden, daß sich durch ihre Steifigkeit die für die jeweiligen Radschwingungen im vorherrschenden Frequenzbereich bereitzustellenden Kräfte verringern.
  • Die Betätigungselemente können vorzugsweise in einem sich drehenden Bauelement befestigt sein, insbesondere in einer Felge des Rades. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind, wie später noch genauer erläutert wird, erfindungsgemäß zusätzlich noch besondere Mittel zum Betrieb der Betätigungselemente vorhanden, was den Einsatz herkömmlicher Schleifring- bzw. Schleifkontaktsysteme unnötig macht, bei denen aufgrund des notwendigen Schutzes gegen Verschmutzung, Wasser, Öl, Schmiermittel etc. Probleme auftreten könnten.
  • Im folgenden werden verschiedene Ausführungbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
  • Fig.1 eine Querschnittsansicht eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten
  • Achsschenkels eines Fahrzeugrades;
  • Fig.2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig.1;
  • Fig.2a eine schematische Darstellung des entsprechenden Kontrollalgorithmus;
  • Fig.3 eine axiale Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
  • Fig.3a eine schematische Darstellung des entsprechenden Kontrollalgorithmus;
  • Fig.4 eine axiale, entlang der Linie IV-IV in Fig.5 geschnittene Ansicht einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Radfelge;
  • Fig.5 eine Vorderansicht der Radfelgenmitte;
  • Fig.6 die Statorwicklung eines Wechselstromgenerators des Rades, der zum Betreiben der Betätigungselemente im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 und 5 dient;
  • Fig.7 den Verlauf der magnetischen Induktion im Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor des Wechselstromgenerators;
  • Fig.8 zwei um 90º zueinander versetzte Windungen des Rotors des Wechselstromgenerators;
  • Fig.9 die Verbindungen zwischen den Windungen des Rotors und den Spulen der Betätigungselemente gemäß den Fig. 4 und 5;
  • Fig.10 den Verlauf der elektromotorischen Kräfte der beiden zueinander versetzten Windungen des Rotors;
  • Fig.11 den Verlauf der Ströme in den vier Betätigungselementen beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig.4 und 5;
  • Fig.12 eine Darstellung entsprechend Fig.4 der Anordnung des Wechselstromgenerators des Rades sowie der Verbindungen zwischen dem Rotor und den Betätigungselementen;
  • Fig.12 eine Teilansicht einer Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.12 und
  • Fig.13 eine Darstellung enstprechend Fig.12 einer Ausführungsvariante, bei der ein elektronischer Rechner zwischen dem Rotor des Wechselstromgenerators und den Betätigungselementen vorgesehen ist und der Stator gesondert angetrieben wird.
  • In den Fig.1 und 2 sind die zwischen der Achswelle 2 des Rades und dem Achsschenkel 3 befindlichen Lager mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnet. In Vertiefungen 41 welche in einer ringförmigen, den Achsschenkel umgebenden Masse 5 ausgebildet und rund um die Achswelle 2 verteilt sind, befinden sich mit Wechselstrom betriebene lineare Motoren zur radialen Betätigung, enthaltend jeweils ein am Boden der Vertiefung 4 befestigtes Gehäuse 6, Spulen 7 und ein entsprechendes, an der Achswelle befestigtes magnetisches Bauelement 8.
  • In den dabei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Motoren ausgesparten Zwischenräumen sind zum oben genannten Zweck Elastomerblöcke 9 angeordnet, welche auf der einen Seite auf dem Achsschenkel 3 und auf der gegenüberliegenden Seite auf der Innenfläche 10 der ringförmigen Masse 5 befestigt sind.
  • Bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel wurden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugsziffern wie weiter oben verwendet. Zusätzlich ist hier um die Achswelle 2 herum ein starres Gehäuse 11 vorgesehen, welche auf den Lagern 1 aufliegt und im Innern des Achsschenkels 3 durch radial wirkende Elastomerblöcke 12 mit geringer Steifigkeit sowie durch als axiale Anschlagelemente dienende Elastomerblöcke 13 mit hoher Steifigkeit gehaltert wird.
  • Diese Lösung ermöglicht die Bereitstellung einer weiteren Filterstufe, ohne daß dabei der Reifen deformiert würde.
  • Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig.4 und 5 ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung direkt an einer Radfelge dargestellt. Bei diesen Zeichnungsfiguren wurden für analoge Bauteile bzw. für Bauteile, die dieselbe Aufgabe wie bei den beiden zuvorgenannten Ausführungsbeispielen erfüllen, dieselben Bezugsziffern, jedoch mit Strich-Zusatz, verwendet.
  • In diesen Figuren ist die Radfelge mit der Bezugsziffer 3" bezeichnet. Sie trägt einen Befestigungsring 3', welcher mit Hilfe von Schrauben angebracht ist und dieselbe Rolle spielt wie der Achsschenkel 3 bei den anderen Ausführungsbeispielen Dieser Befestigungsring ist über die statischen Kräfte aufnehmende Elastomerblöcke 9' mit einer trägen Masse 5', 6' verbunden. Letztere umfaßt ein Magnetschichtgehäuse 6' für zwei lineare Motoren mit veränderlichem magnetischen Widerstand, die mit Spulen 71 sowie mit Druckmitteln 5, ausgestattet sind, in denen das Gehäuse 6' verbolzl ist. An seiner Außenseite trägt der Befestigungsring 3' Magnetelemente 8', die es ermöglichen, die Magnetkreise der beiden Motoren zu schließen. Diese beiden Motoren, welche über ein geeignetes Meßwertgeber-System gespeist werden, ermöglichen es, durch ihr Einwirken zwischen der trägen Masse 5', 6' und der Felge 3" entlang zweier zur Radachse senkrecht verlaufender Richtungen - zum einen vertikal, zum anderen horizontal, wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen - Schwingungen aus zuschal -ten.
  • Bei diesem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist es nicht länger nötig, den Achsschenkel des Rades zu verändern.
  • Bei allen Ausführungsbeispielen kann das sich drehende System von jedem geeigneten Zuführsystem mit der notwendigen elektrischen Leistung (einige Dutzend Watt) versorgt werden.
  • So könnten beispielsweise elektrische, auf der Höhe des Achsschenkels der Rades drehbeweglich angebrachte Kontakte zum Einsatz kommen oder die notwendige Stromstärke könnte elektromagnetisch erzeugt werden. Dies könnte beispielsweise mit Hilfe von auf den Bremssätteln fest angebrachter Magneten geschehen, die auf dem Achsschenkel befestigten Spulen Strom induzieren. Die Übertragung elektromagnetischer Wellen könnte gleichfalls mit Hilfe eines von den Bremssätteln getragenen Wellenleitsystems und von auf der Felge befestigten Empfangsantennen erfolgen.
  • In jedem Fall können für die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verschiedene Arten der Speisung der Betatigungselemente und verschiedene Kontrollalgorithmen zum Einsatz kommen.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 und 2 bestehen die einzigen zur Verfügung stehenden Informationen in der am Achsschenkel 3 gemessenen jeweiligen Beschleunigung, was es nötig macht, eine sogenannte Feed-Back-Steuerung vorzusehen, welche von einem auf diesem Achsschenkel befestigten Beschleunigungsmesser A ausgeht. Dieser Beschleunigungsmesser liefert elektrische Signale ent sprechend der jeweiligen vertikalen Beschleunigung z und der jeweiligen horizontalen Beschleunigung x, wobei letztere in Fahrtrichtung des Fahrzeugs auf die Räder einwirkt.
  • Der Algorithmus könnte dann aussehen wie in Fig.2a dargestellt, wobei das Viereck 6-7 das betreffende horizontale bzw. veritkale Betatigungselement darstellt und das Viereck 14 eine Phasenkorrekturschaltung symbohsiert. Die Eingangsabweichung (die horizontale bzw. vertikale Schwingung des Rades) wird durch den Pfeil 15 repräsentiert und wirkt ebenso wie der Ausgang vom Betätigungselement 6-7 auf den Achsschenkel 3 ein. Hierbei liefert der Beschleunigungsmesser A über die Feed Back-Schleife 16 ein der restlichen auf den Achsschenkel einwirkenden Beschleunigung entsprechendes Kontrolisignal an einen Operator 17, welcher an einem weiteren Eingang 18 ein Null-Befehlssignal empfängt.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ermöglicht eine Abänderung dieses Schemas, indem ein auf dem Gehäuse 11 angebrachter Beschleunigungsmesser Ar für ein Referenzsignal sowie ein auf dem Achsschenkel 3 befindlicher Beschleunigungsmesser AE verwendet wird, dessen Signal der auf das Rad in den genannten Richtungen z und x einwirkenden Restbeschleunigung entspricht.
  • Fig.3a zeigt das hierbei verwendbare Algorithmusschema vom Mischkopplungs-Typ. Bei diesem Schema steht Hp für die Transferfunktion (bzw. Übertragungsfunktion) zwischen den auf das Gehäuse 11 (welches die Schwingungen des Rades empfängt) einwirkenden Referenzbeschleunigungen und den Restbeschleunigungen, die auf den Achsschenkel 3 einwirken und vom Beschleunigungsmesser Aε ermittelt werden. Das Signal dieser Restbeschleunigungen wird dazu verwendet, ein in der Kontrollschleife des Betätigungselements 6, 7 zwischen dem Ausgang des Referenz-Beschleunigungsmessers Ar und dem Achsschenkel 3 angeordnetes Filterelement F zu steuern.
  • Im folgenden werden besondere Energieversorgungssysteme beschrieben, die beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig.4 und 5 eingesetzt werden können, welches sich von den vorherigen Ausführungsbeispielen durch eine "aktive Feige" mit bei der Drehung mitgeführten Betätigungslementen unterscheidet, während die Betätigungselemente bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bei der Drehung fest angebracht sind.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die zur Speisung der Betatigungselement nötige Energie direkt durch Einsatz eines zwischen der Radfelge und dem Bremssattel des Rades befindlichen Wechselstromgenerators erzeugt, wobei das am Bremssattel befestigte Bauteil als Stator und das an der Radfelge befestigte Bauteil als Rotor dient. Der Stator wird durch Erzeugung einer magnetischen Induktion im Luftspalt mit Strom versorgt und der Rotor ist mit einer Spule versehen, die es ihm ermöglicht, den bei der Rotation des Rades induzierten Strom wieder zurückzugewinnen.
  • Somit kann bei einer solchen Lösung der dem Stator zugeführte Strom eine Steuerung der vertikalen und hon zontalen Kräfte ermöglichen, welche zuvor mit Hilfe der Betätigungselemente an der Feige erzeugt werden. Zu diesem Zweck weist die Statorspule zwei voneinander unabhängige Wicklungen auf, die es ermöglichen im Luftspalt des Wechselstromgenerators des Rades zwei magne tische Induktionsanteile hervorzubringen, wobei die erste Wicklung die Erzeugung der vertikalen Kräfte in z- Richtung erlaubt, und die zweite Wicklung einer Erzeugung horizontaler Kraft in x-Richtung dient.
  • In Fig.6 ist beispielhaft eine Wicklung 19 des Stators 20 gezeigt, die es erlaubt, vertikale Kräfte zu erzeugen (wobei natürlich dasselbe Prinzip auch zur Erzeugung horizontaler Kräfte angewendet werden kann). Der Stator 20 ist dabei beispielsweise auf dem Sattel 25 einer Scheibenbremse 26 angebracht, wie dies in Fig.12 dargestellt ist. Der Pfeil Is in Fig.6 reprästentiert den Speisestrom des Stators; in Fig.12 bezeichnet ISH den Speisestrom der Statorwicklung zur Erzeugung der horizontalen Kräfte und ISV den Speisestrom der Statorwicklung zur Erzeugung der vertikalen Kräfte.
  • Durch geeignetes Anordnen der Wicklungsdrähte 19 des Stators zur Erzeugung der vertikalen Kräfte könnte man, theoretisch gesehen, im Luftspalt 22 zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 21 des Wechselstromgenerators eine magnetische Induktion B erzeugen, die den in Fig.7 dargestellten Verlauf aufweist. Man kann weiterhin am Rotor 21 zwei Windungen 23 und 24 vorsehen (siehe Fig.8), die um 90º zueinander versetzt sind und mit den Betätigungselementen 6'-7' in der in Fig.9 gezeigten Weise verbunden sind. Dank dieser Zweigverbindungen und durch das Vorsehen von Gleichrichtern 27 in der dargestellten Weise, kann man in den beiden Windungen 23 und 24 um 90º zueinander versetzte elektromotorische Kräfte ei und e2 erzeugen, wie sie in Fig.10 dargestellt sind. Außerdem lassen sich hierdurch für jedes der beiden Betätigungselementpaare, die in diesem Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommen, wie in Fig.11 veranschaulicht in zwei einander diametral gegenüberliegenden Betatigungselementen Ströme I&sub1;, I&sub2; und I&sub3;, I&sub4; mit entgegengesetzter Phase erzeugen (in den Fig. 10 und 11 steht -für den Winkel zwischen der Ebene der einen Rotorwindung 23 und einer in Fig.8 gezeigten Referenzebene P).
  • Diese Anordnungsweise ermöglicht es, wie in der Theorie bereits gezeigt, auf den Achsschenkel 3" des Rades einwirkende, horizontale und vertikale Kräfte zu erzeu gen, die dem Quadrat des entsprechenden Speisestroms Is des Stators proportional sind.
  • In Fig.12a ist die Möglichkeit veranschaulicht, die ringförmige Masse 5 und die Betätigungselemente gegenüber dem Achsschenkel 3 innen anzuordnen, wodurch der vorhandene Platz gut genutzt wird, was an dieser Stelle besonders wichtig ist.
  • In Fig.13 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der die verschiedenen Betätigungselemente 6'-7' durch einen Rechner 28 gesteuert werden, der direkt in der Felge angeordnet und mit dem Rotor 21 über eine ebenfalls in der Felge angeordnete Gleichrichterschaltung 29 verbunden ist. Der Stator 20 ist auch hier auf dem Sattel 25 der Scheibenbremse 26 befestigt und kann mit konstanter Spannung betrieben werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Dampfung von Rollgeräuschen oder Rollschwingungen bei Fahrzeugrädem, enthaltend je Rad wenigstens eine um die Achswelle (2, 2') dieses Rades herum angeordnete träge Masse (5), wobei die Massen (5) mit einem drehbeweglich angeordneten Bauelement (3) verbunden und derart am Rad befestigt sind, daß sie die Schwingungen aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen (5) über gesteuerte Betätigungselemente (6 bis 8, 6' bis 8'), bei denen es sich um Motoren mit veränderlichem magnetischen Widerstand handelt, mit dem drehbeweglich angeordneten Bauelement (3') verbunden sind, wobei das Bauelement (3') ein Achsschenkel der betreffenden Achswelle sein kann oder stattdessen auch ein sich drehendes Bauelement (3', 3"), wie etwa eine Feige (3") des Rades, das auf eine solche Weise einstückig mit dem Rad ausgebildet ist, daß es dessen Schwingungen aufnimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch elastische Elemente (9) , die geeignet sind, die zwischen der trägen Masse bzw. den trägen Massen (5, 6; 5', 6') und dem Bauelement (3, 3') auftretenden statischen Kräfte aufzunehmen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zusätzliche schwingungsdämpfende Filterschicht (12, 13), die zwischen dem Bauelement (3) und einem starren, über Lager (1) auf der Achswelle (2) des Rades befestigten Gehäuse (11) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschicht Elastomerblöcke (12) mit geringer radialer Steifigkeit und als axiale Anschlagelemente dienende Elastomerblöcke (13) mit hoher Steifigkeit umfaßt.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse bzw. die trägen Massen (5) und die Betätigungselemente relativ zum Achsschenkel (3) nach Innen hin angeordnet sind.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betatigungselemente mit veränderbarem magnetischem Widerstand (6' bis 8'), die durch Linearmotoren mit verstellbarem magnetischen Widerstand gebildet werden, ebenso wie ein sie speisender Wechselstromgenerator in der Felge (3") des Rades angebracht sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsschenkel (3) mit einem Geschwindigkeitsmeßgerät (A) ausgestattet ist, welches Signale liefern kann, die einer jeweiligen auf das Rad in vertikaler (z) bzw. horizontaler (x) Richtung einwirkenden Beschleunigung entsprechen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen am steifen Gehäuse (11) angebrachten Referenzgebeschleunigungsmesser (Ar), welcher Signale liefern kann, die der jeweiligen Beschleunigung des Rades in vertikaler (z) bzw. in horizontaler (x) Richtung entsprechen, sowie durch einen am Achsschenkel (3) angebrachten Beschleunigungsmesser (AE), welcher Signale liefert, die der jeweiligen Restbeschleunigung in diesen Richtungen entsprechen, wobei diese unterschiedlichen Signale in einem Algorithmus vom "Mischkopplungs" -Typ eingesetzt werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromgenerator einen auf dem Sattel (25) einer Scheibenbremse angeordneten Stator (20) sowie einen Rotor (21) umfaßt, dessen Induktions windungen (23, 24) mit den Spulen (7') der Betätigungselemente in Verbindung stehen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, enthaltend zwei Paare von Betätigungselementen (6 bis 7, 6' bis 71), die sich paarweise diametral gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet daß der Rotor (21) zwei um 90º zueinander versetzte Induktionswindungen (23' 24) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (21) des Wechselstromgenerators die Betätigungselemente (6' bis 7') über eine Gleichrichterschaltung (29) und einen Rechner (28) speist.
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