EP1135624A2 - Vorrichtung mit schwingungsgedämpftem bauteil, insbesondere eine bremse - Google Patents

Vorrichtung mit schwingungsgedämpftem bauteil, insbesondere eine bremse

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EP1135624A2
EP1135624A2 EP99965409A EP99965409A EP1135624A2 EP 1135624 A2 EP1135624 A2 EP 1135624A2 EP 99965409 A EP99965409 A EP 99965409A EP 99965409 A EP99965409 A EP 99965409A EP 1135624 A2 EP1135624 A2 EP 1135624A2
Authority
EP
European Patent Office
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brake
piezoelectric element
component
damping
piezoelectric
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99965409A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Treyde
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ZF International UK Ltd
Original Assignee
Lucas Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lucas Industries Ltd filed Critical Lucas Industries Ltd
Publication of EP1135624A2 publication Critical patent/EP1135624A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16D65/0006—Noise or vibration control
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    • F16D65/04—Bands, shoes or pads; Pivots or supporting members therefor
    • F16D65/092—Bands, shoes or pads; Pivots or supporting members therefor for axially-engaging brakes, e.g. disc brakes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2129/00—Type of operation source for auxiliary mechanisms
    • F16D2129/06—Electric or magnetic
    • F16D2129/12—Electrostrictive or magnetostrictive elements, e.g. piezoelectric

Definitions

  • the invention relates to a device with a component that can vibrate mechanically, wherein the mechanical vibration is undesirable and should therefore be damped.
  • Brakes are an example of such a device. Although the invention is explained below with a view to brakes, the invention can also be used in other devices. Mechanical vibrations occur in particular in devices in which moving parts rub against one another and put the system in undesirable vibration states.
  • US Patent 1572680 aims to reduce noise in a drum brake by providing the anchor plate in a certain area with recesses or openings which are filled with a certain material that is selected so that it inhibits vibrations of the anchor plate.
  • British patent specification 1381589 wants to prevent unwanted noise formation in a fixed-disc brake by shifting the center of gravity by means of a ground coupling.
  • the U.S. Patent 4445594 wants to avoid vibrations in that the outer brake pad of a floating caliper partial pad disc brake is attached and stored via rubber elements in the bridge fingers.
  • JP-A 59-200819 also teaches to provide the bridge fingers of a disc brake with vibration dampers.
  • the vibration dampers are made of rubber or a plastic and steel masses are also specifically attached. Different natural frequencies of the bridge, on the one hand, and the masses mentioned, on the other hand, attempt to counter vibration of the system or its components.
  • EP-A 0 592 290 wants to dampen vibrations in disc brakes in that a clamping wedge is braced on the one hand with a side wall of the housing of the disc brake and on the other hand with a flange of the axle to which the disc brake is attached.
  • an elastomeric layer can be provided between the clamping wedge and the side wall.
  • EP 0 470 064 A2 discloses a device with a piezoelectric sensor element that detects structure-borne noise. conditions detected and an actuator element that generates antiphase structure-borne vibrations. In this case, signals from the sensor elements are fed to the actuator element via an electronic regulating and control device, which also contains an amplifier stage for supplying external energy.
  • the invention has for its object to provide simple, inexpensive and reliable means with which the mechanical vibration of a component of a device can be effectively prevented.
  • the invention proposes a device or a brake with the features of claims 1, 2, 4, 16 or 17.
  • piezoelectric elements can deform when a voltage is applied and thus carry out a mechanical oscillation when a periodic voltage is applied. B. periodically deform.
  • this mechanical vibration of the piezoelectric element is now used in such a way that it counteracts the vibration of the component of the device to be damped.
  • This can be done according to the basic rules of physics e.g. B. happen that a suitable phase relationship is established between the mechanical vibration of the component to be damped and the deformation vibration of the piezoelectric element.
  • the oscillation of the component and the oscillation of the piezoelectric element do not necessarily have to have the same frequency, rather a relationship between the frequencies according to integer multiples ("harmonics") is usually sufficient to achieve a damping effect.
  • a piezoelectric element is used to generate by means of the mechanical vibration of the component to be damped the electrical voltage with which another piezoelectric element (or even the same piezoelectric element, see below) is applied to the mechanical vibration of the piezoelectric see element ("electrostriction") and thus dampen the unwanted vibration of the component.
  • electroelectric the mechanical vibration of the piezoelectric see element
  • Such a system is self-regulating in the sense that the vibration-damping periodic vibration of one piezoelectric element only occurs by generating voltage on the other piezoelectric element if the component of the device which is at risk of vibration actually vibrates (which need not always be the case) .
  • the periodic electrical excitation of the vibration-damping piezoelectric element is reduced (ie the applied voltage becomes lower) or completely interrupted when the mechanical vibration of the component to be damped becomes lower or ceases.
  • the system does not even need external energy (electrical voltage) to be effective, although the use of external additional electrical energy sources can be provided for reinforcement in more complex systems.
  • the piezoelectric element vibrates in two states (modes): on the one hand, it is periodically deformed by the mechanical vibration of the component that is to be damped and thus periodically generates a voltage due to the piezoelectric effect, and on the other hand, this becomes Voltage itself, possibly after a suitable phase shift and / or modulation, is again applied to the same piezoelectric element for electrical excitation in order to put it into an electrostrictive periodic mechanical oscillation state, which causes the mechanical oscillation of the component of the device is steamed.
  • modes two states
  • the damping is self-regulating: If no component of the device vibrates, no piezoelectric voltage is generated and, conversely, no electrostriction oscillation is generated for damping (which also prevents an undesired vibration caused by the piezoelectric crystal itself).
  • This self-regulation of the system is proportional, ie the quantity of the damping oscillation of the crystal depends on the quantity of the undesired mechanical oscillation of the component of the device to be damped.
  • a phase relationship between the periodic electrical voltage generated and the voltage applied for damping is set by means of an inductor.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that at least one piezoelectric element is connected as a capacitive element in at least one electrical resonant circuit, and that this resonant circuit has a resonance frequency that is matched to the mechanical vibration frequency to be damped.
  • At least two piezoelectric elements are preferably connected either in parallel or in series in a resonant circuit with an inductor such that the resonance frequency of this resonant circuit is essentially matched to the mechanical vibration frequency of the component to be damped.
  • the one piezoelectric element in the sense explained above can generate a voltage due to the piezoelectric effect, which is applied to the other piezoelectric element in order to generate a mechanical oscillation of this piezoelectric element due to the electrostriction (i.e. the reverse piezoelectric effect) and thus a damping of the oscillation of the To effect component of the device.
  • the piezo elements are therefore effective alternately (crosswise) and have the same functions.
  • the invention relates not only to devices of the type in question here, but also to methods for damping components in devices, the method realizing the teachings explained above.
  • the invention is particularly preferably used for brakes, in particular for disc brakes, such as floating caliper or frame brakes, or also for drum brakes.
  • the brake is a floating caliper or floating frame brake and that the component that can generate noise is a lining carrier and / or part of the caliper, such as a bridge finger.
  • At least one piezoelectric element acts between the lining carrier and part of the caliper or frame of the brake.
  • At least two piezoelectric elements are preferably arranged in such a way that they are at a distance from one another in the circumferential direction of the brake (that is, the direction of rotation of the brake disc; i.e. tangentially).
  • a piezoelectric element can therefore preferably be arranged on the inlet side and another piezoelectric element on the outlet side of the brake. Measurements have shown that a particularly effective damping of the mechanical vibrations of the system can be achieved with such an arrangement in a disc brake.
  • the piezoelectric element or the piezoelectric elements are connected in an electrical circuit in order to transmit voltages and to effect the explained feedback effect.
  • an inductance can be provided in the circuit, ie a component with an induction effect.
  • the inductance can directly in a component of the brake, for. B. the component to be damped, integrated or mounted on such a component of the brake, z. B. in the immediate vicinity of the piezoelectric element, so that it can be assembled together with this.
  • piezoelectric elements are used in an oscillating circuit, this is preferably tuned in such a way that the damping effect of at least one of the piezoelectric elements is at a maximum in the range of a mechanical oscillation frequency of the component of the device that is to be damped mainly.
  • the at least one piezoelectric element is preferably arranged in the force flow of an application force of the brake, because the vibrations generated by friction arise in this force flow path and can therefore also be effectively damped there.
  • the invention can be implemented not only in general in devices and in particular brakes of the type described, but also in individual parts of such devices or brakes, such as the following:
  • a brake lining for a disc brake can have a piezoelectric element for damping vibrations.
  • the piezoelectric element or the elements can be attached to the support plate of the brake pad or integrated into it. It is even possible to design the entire support plate of the brake pad as a piezoelectric element or to design part of the support plate as a piezoelectric element.
  • At least one piezoelectric element is arranged near an antinode of the mechanically vibrating component.
  • An antinode in this sense is a point at which the mechanically vibrating component vibrates with maximum amplitude.
  • An anti-periodically oscillating piezoelectric element effective at this point has a particularly high damping effect.
  • Figure 1 is a disc brake with a measuring arrangement to explain the basics of the invention
  • Figure 2 with a measuring arrangement according to Figure 1 measured accelerations of the inlet and outlet side bridge fingers of a floating caliper partial pad disc brake;
  • FIG. 3 shows forces measured with an arrangement according to FIG. 1 on the inlet-side and outlet-side bridge fingers of the disc brake
  • FIG. 5 shows the time course of the electrical voltage of one of the two piezoelectric elements in a measurement corresponding to FIG. 4;
  • 6A and 6B show two basic circuit diagrams for circuits with two piezoelectric elements and one inductor
  • FIG. 7 measurements of the coupling behavior of two piezoelectric elements as a function of the oscillation frequency
  • FIG. 8 shows a floating caliper partial lining disc brake with piezoelectric elements for damping
  • FIG. 9 shows an axial top view of a brake lining of a brake according to FIG. 8 with piezoelectric elements
  • FIG. 10 shows a section through the brake lining according to FIG. 9;
  • Figure 11 shows another embodiment of a brake pad with piezoelectric elements in plan view
  • FIG. 12 shows a section through the brake lining according to FIG. 11.
  • FIG. 1 shows, as an exemplary embodiment of a device in which the mechanical vibration of a component is damped, a floating caliper partial-pad disc brake 10 with a brake disk 12 and a caliper 14.
  • the brake disk 12 is clamped between two brake pads 14a, 16a during braking .
  • the brake pads 14a, 16a are on pad Carrier plates 16, 18 attached from metal.
  • An actuating piston (cf. FIGS. 8, 20a) is moved axially in a cylinder 20 when braking.
  • the saddle 14 overlaps or engages behind the indirectly actuated lining carrier 16 in a known manner with two bridge fingers 22, 24.
  • two force sensors 26, 28 are arranged between the bridge fingers 22, 24 and the lining carrier plate 16, each of which acts in the axial direction (in the usual designation, axially with respect to the axis of the disc brake or the direction of the application force) Strength measurement.
  • Acceleration sensors 30, 32 are arranged on the outside of the bridge fingers 22, 24.
  • the arrangement described above is used for measurement purposes.
  • An exemplary embodiment of a device designed according to the invention is obtained if, in the arrangement described above, the two force sensors 26, 28 are replaced by piezoelectric elements. This is explained below.
  • the measured values of the two acceleration sensors 30, 32 are input via a (charge) amplifier 34, 36 and a low-pass filter 42 into a computer 44 for evaluation.
  • measured values of the two force sensors 26, 28 are also entered into the computer 44 for evaluation via the low-pass filter 42.
  • FIG. 2 shows the results measured with the acceleration sensors 30, 32 during braking.
  • the time in milliseconds is plotted on the abscissa and the measured acceleration a is plotted on the ordinate.
  • Figure 2 shows with thick line A the acceleration on the exit-side bridge finger and with thinner curve E the acceleration on the entry-side bridge finger. If the brake disc 12 moves from right to left in FIG. re the bridge finger 22 on the inlet side and the bridge finger 24 on the outlet side.
  • the acceleration a in FIG. 2 shows a periodic oscillation at 2500 Hz, ie clearly in the range audible to the human ear.
  • the two bridge fingers show oscillations of the same frequency, which are out of phase by 180 °.
  • FIG. 3 shows the forces F acting on the bridge fingers and measured with the force sensors 26, 28 over the same time scale.
  • the curve A shown with a strong line again shows the measurement results on the outlet-side bridge finger and the finer curve E shows the measurement results for the inlet-side bridge finger.
  • Figures 2 and 3 thus show the mechanical vibration of components of the "brake” system, which must be damped.
  • the two force sensors 26, 28 are replaced by piezoelectric elements in the arrangement according to FIG. This is explained by way of example in FIGS. 8 to 10.
  • the piezoelectric elements 46, 52 shown there replace the force sensors 26, 28. Further details of the disc brake according to FIG. 8 are explained further below.
  • FIG. 6B shows the basic circuit diagram (switch 38 still having to be considered in the circuit).
  • FIG. 4 shows measurement results when using the piezoelectric elements explained above.
  • the accelerations on the bridge fingers 22, 24 are again measured with the acceleration sensors 30, 32.
  • the inductance L is 61 mH.
  • the piezoelectric elements 46, 52 have a damping effect, as shown in FIG.
  • a piezoelectric element is periodically compressed by the mechanical vibration between the lining carrier plate 16 and the bridge fingers 22, 24 and thus generates a periodic voltage of the same frequency piezoelectrically.
  • This periodic voltage is applied to the other piezoelectric element, so that it starts to vibrate mechanically due to the reverse piezoelectric effect, i. H. periodically expands and contracts.
  • the vibration of the system of the backing plate 16 and bridge fingers is damped.
  • FIG. 4 shows, the shrinkage drops practically completely in less than 0.1 seconds.
  • FIG. 5 shows the measured piezoelectric voltage U. As soon as the switch 38 is closed at the time “0”, the voltage U at the two piezoelectric elements 46, 52 also drops to negligibly small values in significantly less than 0.1 seconds, which indicates that the self-damping effect of the two cross-connected and effective piezoelectric elements is highly effective.
  • FIGS. 6A and 6B show basic circuit diagrams for possible circuits according to which two piezoelectric elements with the capacitances C 1 and C 2 and the inductance L (40) can be switched; the total capacitance and also the resonance frequency f 0 are given in the figure.
  • the capacitances and inductors are preferably chosen so that the resonant frequency of the resonant circuit corresponds to the mechanical vibration to be damped or is at least in an integral relationship to it.
  • FIG. 7 shows the advantage of such a tuning of the electrical resonance frequency of the resonant circuit with the piezoelectric elements to the frequency of the mechanical vibration of the system that is to be damped.
  • a coupling factor k is plotted on the ordinate and the frequency on the abscissa.
  • the coupling factor k is a measure of how strong the coupling of the two piezoelectric elements and thus their damping effect is.
  • the lower curve which runs essentially at the value 0.3, shows the case in which the two piezoelectric elements 46, 52 are connected directly to one another without the interposition of an inductor.
  • the upper curve with a maximum at approximately 600 Hz shows the case in which an inductance of 900 mH is switched on and an oscillating circuit is thus formed, the resonance frequency of which is approximately 600 Hz.
  • the coupling factor rises sharply in the case of resonance (to values of approximately 2).
  • FIG. 8 shows details of a floating caliper partial lining disc brake 10, which has already been explained above with regard to its conventional structure.
  • two piezoelectric elements 46, 52 are arranged between the indirectly actuated pad carrier plate 16 and the bridge fingers 22, 24, in such a way that the flow of force from the bridge fingers is transmitted to the pad carrier plate via the piezoelectric elements.
  • the piezoelectric elements are clamped between metal plates 48, 50, which in turn engage concavely on the outside in corresponding convex depressions in the bridge finger or the lining carrier plate.
  • FIG. 10 shows an example of two troughs 54, 56 in the lining carrier plate 16.
  • the engagement between the piezoelectric element and the component whose vibration is to be damped can also take place indirectly.
  • the two piezoelectric elements 46, 52 are arranged approximately at the effective center of the clamping force (corresponding to the axis A according to FIG. 8) such that one piezoelectric element on the inlet side and the other piezoelectric element on the other side, that is, the outlet side.
  • FIGS. 11 and 12 show modifications of the embodiment according to FIGS. 9 and 10.
  • the piezoelectric elements 46 ′ and 52 ′ are arranged in cylindrical recesses in the lining carrier plate 16 ′.
  • Inductors 58, 60 are also mounted directly on the base plate 16 ', with the help of bearing washers 62, 64, which in the illustrated embodiment made of plastic, for. B. Polyoxy ethylene exist.
  • the inductors 58, 60 are designed as spiral windings.
  • FIGS. 8 to 12 The arrangements of piezoelectric elements shown in FIGS. 8 to 12 can be switched in different ways.
  • Each of the piezoelectric elements can be switched as an individual assembly with an inductance to form an independent resonant circuit, the mechanical vibration of the brake acting on the piezoelectric element generating an electrical voltage which reacts on the piezoelectric element by means of the inductance in such a way that the reverse piezoelectric element Effect (ie the mechanical vibration of the piezoelectric element due to the applied voltage) causes a damping in the sense described above.
  • the two (or more) piezoelectric elements can also belong to a common resonant circuit, as described above.
  • the resonant circuits with the piezoelectric elements do not require any external energy. However, it is also possible to amplify the piezoelectric voltages using electronic aids.
  • inductances and capacitances used in the circuits are adjustable in order to adapt them to the respective system at hand.
  • the performance data, in particular capacities, of the piezoelectric elements to be used and the inductors are experimentally optimized with an arrangement according to FIG. 1 and then used accordingly for the given system.
  • the frequencies and optimization of the damping it may be necessary to provide additional capacitances and / or inductances and / or resistances in the resonant circuits.
  • Coupling losses between the piezoelectric elements can be compensated for by external energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Dämpfung von mechanischen Schwingungen von Bauteilen in Vorrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Dämpfung von Bauteilen von Bremsen (10). Hierzu ist zumindest ein piezoelektrisches Element vorgesehen, das so mit dem schwingenden Bauteil (16, 22, 24) in Eingriff steht und so elektrisch angeregt wird, dass es Schwingungen des Bauteils dämpft.

Description

Vorrichtung mit schwingungsgedämpftem Bauteil, insbesondere eine Bremse
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Bauteil, das mechanisch schwingen kann, wobei die mechanische Schwingung unerwünscht ist und deshalb gedämpft werden soll.
Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung sind Bremsen. Nachfolgend wird die Erfindung zwar mit Blick auf Bremsen erläutert, jedoch kann die Erfindung auch bei anderen Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Mechanische Schwingungen treten insbesondere auf bei Vorrichtungen, in denen bewegte Teile aneinander reiben und das System in unerwünschte Schwingungs- zustände versetzen.
Dieses Phänomen ist seit langem bei Bremsen bekannt. Mechanische Schwingungen an Bremsen, wie z. B. bei Scheibenbremsen oder auch Trommelbremsen, führen häufig zu einer höchst unerwünschten Schallabstrahlung, dem sog. "Bremsenquietschen". Seit langem wird versucht, die Ursachen des Bremsenquiet- schens theoretisch aufzuklären und ihnen durch praktische Maßnahmen zu begegnen.
So schlägt z. B. das U.S. Patent 974549 vor, bei Stahlrädern, Getrieben oder auch anderen Rädern Bohrungen anzubringen, um einen Schwingungs-Ubertragungsweg zu unterbrechen. Zusätzlich wird vorgeschlagen, in den Bohrungen einen schwingungsdämp- fenden Werkstoff, wie Blei, anzuordnen.
Das U.S. Patent 1572680 will Geräuschbildung bei einer Trommelbremse dadurch vermindern, daß die Ankerplatte in einem bestimmten Bereich mit Ausnehmungen oder Öffnungen versehen wird, die mit einem bestimmten Werkstoff gefüllt werden, der so ausgewählt wird, daß er Schwingungen der Ankerplatte hemmt . Die britische Patentschrift 1381589 will bei einer Festsat- telscheibenbremse unerwünschte Geräuschbildung dadurch verhindern, daß durch eine Masseankopplung Schwerpunkte verlagert werden.
Der Stand der Technik kennt aus der DE 195 05 000 AI auch den Vorschlag, bei einer Schwimmrahmenbremse Schwingungen des Rahmens dadurch zu dämpfen, daß ein von Silikonöl umgebener "Schwingungstilger" angebracht wird.
Die U.S. Patentschrift 4445594 will Schwingungen dadurch vermeiden, daß der äußere Bremsbelag einer Schwimmsattel- Teilbelag-Scheibenbremse über Gummielemente in den Brückenfingern befestigt und gelagert wird.
Auch die JP-A 59-200819 lehrt, die Brückenfinger einer Scheibenbremse mit Schwingungsdämpfern zu versehen. Die Schwingungsdämpfer bestehen aus Gummi oder einem Kunststoff und weiterhin sind Stahlmassen gezielt angebracht. Durch unterschiedliche Eigenfrequenzen der Brücke einerseits und der genannten Massen andererseits wird versucht, einer Schwingung des Systems bzw. seiner Komponenten zu begegnen.
Die EP-A 0 592 290 will bei Scheibenbremsen Schwingungen dadurch dämpfen, daß ein Klemmkeil einerseits mit einer Seitenwand des Gehäuses der Scheibenbremse und andererseits mit einem Flansch der Achse, an dem die Scheibenbremse befestigt wird, verspannt ist. Zusätzlich kann eine elastomere Schicht zwischen dem Klemmkeil und der Seitenwand vorgesehen sein.
Weitere Versuche der unterschiedlichsten Art, bei Bremsen unerwünschte mechanische Schwingungen zu vermeiden, sind z. B. in der WO95/19508, EP 0 456 301 Bl, EP 0 455 299 Bl und dem DE-GM 7801919 beschrieben.
Zur Unterdrückung von Schwingungen bei einer Brennkraftmaschine offenbart die EP 0 470 064 A2 eine Einrichtung mit einem piezoelektrischen Sensorelement, das Körperschallschwin- gungen erfaßt und einem Aktorelement, das gegenphasige Körperschallschwingungen erzeugt. Hierbei werden Signale der Sensorelemente über eine elektronische Regel- und Steuereinrichtung, die auch eine Verstärkerstufe zur Zufuhr von Fremdenergie beinhaltet, dem Aktorelement zugeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfache, kostengünstige und funktionssichere Mittel bereitzustellen, mit denen das mechanische Schwingen eines Bauteils einer Vorrichtung wirksam verhindert werden kann.
Zur Lösung dieses technischen Problems schlägt die Erfindung eine Vorrichtung bzw. eine Bremse mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 2, 4, 16 oder 17 vor.
Piezoelektrische Elemente können bekanntlich bei Anlegung einer Spannung sich deformieren und somit bei Anlegen einer periodischen Spannung eine mechanische Schwingung ausführen, sich also z. B. periodisch deformieren. Erfindungsgemäß wird nun diese mechanische Schwingung des piezoelektrischen Elementes so eingesetzt, daß sie der zu dämpfenden Schwingung des Bauteils der Vorrichtung entgegenwirkt. Dies kann gemäß den Grundregeln der Physik z. B. dadurch geschehen, daß zwischen der zu dämpfenden mechanischen Schwingung des Bauteils und der Deformationsschwingung des piezoelektrischen Elementes eine geeignete Phasenbeziehung hergestellt wird. Dabei müssen die Schwingung des Bauteils und die Schwingung des piezoelektrischen Elementes nicht notwendig die identische Frequenz haben, vielmehr genügt in der Regel auch eine Beziehung zwischen den Frequenzen gemäß ganzzahligen Vielfachen ("Harmonischen") , um eine Dämpfungswirkung zu erzielen.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 bringt eine Reihe von Vorteilen: Zunächst wird ein piezoelektrisches Element herangezogen, um mittels der mechanischen Schwingung des zu dämpfenden Bauteiles die elektrische Spannung zu erzeugen, mit der ein anderes piezoelektrisches Element (oder auch sogar dasselbe piezoelektrische Element, siehe unten) beaufschlagt wird, um die mechanische Schwingung des piezoelektri- sehen Elementes ("Elektrostriktion") zu erzeugen und so die unerwünschte Schwingung des Bauteils zu dämpfen. Ein solches System ist selbstregelnd in dem Sinne, daß die schwingungs- dämpfende periodische Schwingung des einen piezoelektrischen Elementes nur dann durch Spannungserzeugung am anderen piezoelektrischen Element einsetzt, wenn tatsächlich das schwin- gungsgefährdete Bauteil der Vorrichtung schwingt (was nicht notwendig immer der Fall sein muß) . Bei dieser Variante der Erfindung wird die periodische elektrische Anregung des schwingungsdämpfenden piezoelektrischen Elementes geringer (d.h. die angelegte Spannung wird kleiner) bzw. vollständig unterbrochen, wenn die zu dämpfende mechanische Schwingung des Bauteils geringer wird bzw. aufhört. Das System benötigt noch nicht einmal Fremdenergie (elektrische Spannung) um wirksam zu werden, obwohl der Einsatz fremder zusätzlicher elektrischer Energiequellen zur Verstärkung bei aufwendigeren Systemen vorgesehen sein kann.
Die vorstehend erläuterte Ausführungsform der Erfindung erfordert nicht notwendig zwei verschiedene piezoelektrische Elemente, die Lehre kann auch z.B. gemäß Anspruch 1 mit einem einzigen piezoelektrischen Element verwirklicht werden, das sowohl aufgrund einer Beaufschlagung durch das mechanisch schwingende Bauteil der Vorrichtung piezoelektrisch eine Spannung erzeugt als auch durch diese erzeugte Spannung selbst in geeigneter Weise so phasenverschoben angeregt wird, daß es weiterhin in einem Zustand schwingt, indem es die mechanische Schwingung des Bauteils der Vorrichtung dämpft. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung schwingt also das piezoelektrische Element in zwei Zuständen (Moden) : Zum einen wird es durch die mechanische Schwingung des Bauteils, die zu dämpfen ist, periodisch deformiert und erzeugt so aufgrund des piezoelektrischen Effektes periodisch eine Spannung und zum anderen wird diese Spannung selbst, gegebenenfalls nach geeigneter Phasenverschiebung und/oder Modulation wieder zur elektrischen Anregung an dasselbe piezoelektrische Element angelegt, um dieses in einen elektrostriktiven periodischen mechanischen Schwingungszustand zu versetzen, der bewirkt, daß die mechanische Schwingung des Bauteils der Vorrichtung gedämpft wird. Auch hier ist, wie oben erläutert, die Dämpfung selbstregelnd: Schwingt kein Bauteil der Vorrichtung, wird auch keine piezoelektrische Spannung erzeugt und umgekehrt auch keine Elektrostriktionsschwingung zur Dämpfung erzeugt (wodurch auch eine unerwünschte, durch den piezoelektrischen Kristall selbst ausgelöste Schwingung verhindert wird) . Diese Selbstregelung des Systems ist proportional, d. h. die Quantität der Dämpfungsschwingung des Kristalls hängt ab von der Quantität der zu dämpfenden unerwünschten mechanischen Schwingung des Bauteils der Vorrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mittels einer Induktivität eine Phasenbeziehung zwischen der erzeugten periodischen elektrischen Spannung und der zur Dämpfung angelegten Spannung eingestellt ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zumindest ein piezoelektrisches Element als kapazitives Element in zumindest einem elektrischen Schwingkreis geschaltet ist, und daß dieser Schwingkreis eine Resonanzfrequenz hat, die auf die mechanische, zu dämpfende Schwingungsfrequenz abgestimmt ist.
Bevorzugt werden dabei zumindest zwei piezoelektrische Elemente entweder parallel oder auch seriell in einem Schwingkreis mit einer Induktivität so geschaltet, daß die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises im wesentlichen auf die mechanische Schwingungsfrequenz des zu dämpfenden Bauteils abgestimmt ist. Dabei kann das eine piezoelektrische Element im oben erläuterten Sinn aufgrund des piezoelektrischen Effektes eine Spannung erzeugen, die an das andere piezoelektrische Element angelegt wird, um aufgrund der Elektrostriktion (also des umgekehrten Piezoeffektes) eine mechanische Schwingung dieses piezoelektrischen Elementes und damit eine Dämpfung der Schwingung des Bauteils der Vorrichtung zu bewirken. Die Piezoelemente sind also wechselweise (kreuzweise) wirksam und in ihren Funktionen gleich. Die Erfindung betrifft nicht nur Vorrichtungen der hier in Rede stehenden Art, sondern auch Verfahren zum Dämpfen von Bauteilen in Vorrichtungen, wobei das Verfahren die oben erläuterten Lehren verwirklicht.
Wie oben bereits erwähnt ist, wird die Erfindung besonders bevorzugt bei Bremsen eingesetzt, insbesondere bei Scheibenbremsen, wie Schwimmsattel- oder Rahmenbremsen, oder auch bei Trommelbremsen.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, daß die Bremse eine Schwimmsattel- oder Schwimmrahmenbremse ist und daß das Bauteil, das Geräusche erzeugen kann, ein Belagträger und/oder ein Teil des Bremssattels, wie ein Brückenfinger, ist.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, daß zumindest ein piezoelektrisches Element zwischen dem Belagträger und einem Teil des Sattels bzw. Rahmens der Bremse wirkt.
Bevorzugt werden zumindest zwei piezoelektrische Elemente so angeordnet, daß sie in Umfangsrichtung der Bremse (also der Drehrichtung der Bremsscheibe; d. h. tangential) einen Abstand voneinander haben. In Bezug auf eine radiale Mittelebene der Scheibenbremse kann also dabei bevorzugt ein piezoelektrisches Element auf der Einlaufseite und ein anderes piezoelektrisches Element auf der Auslaufseite der Bremse angeordnet sein. Messungen haben gezeigt, daß mit einer derartigen Anordnung bei einer Scheibenbremse eine besonders wirksame Dämpfung der mechanischen Schwingungen des Systems erzielbar ist.
Wie oben erläutert ist, sehen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung vor, daß das piezoelektrische Element oder die piezoelektrischen Elemente in einem elektrischen Kreis geschaltet sind, um Spannungen zu übertragen und den erläuterten Rückkoppeleffekt zu bewirken. Zur Phasenanpassung kann dabei eine Induktivität in dem Schaltkreis vorgesehen sein, also ein Bauteil mit Induktionswirkung. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Induktivität direkt in ein Bauteil der Bremse, z. B. das zu dämpfende Bauteil, integriert sein oder auch an einem solchen Bauteil der Bremse montiert sein, z. B. in unmittelbarer Nähe des piezoelektrischen Elementes, so daß es zusammen mit diesem montiert werden kann.
Bei Verwendung von zwei oder mehr piezoelektrischen Elementen in einem Schwingkreis wird dieser bevorzugt so abgestimmt, daß die Dämpfungswirkung zumindest eines der piezoelektrischen Elemente maximal ist im Bereich einer hauptsächlich zu dämpfenden mechanischen Schwingungsfrequenz des Bauteils der Vorrichtung.
Bei einer Bremse wird das zumindest eine piezoelektrische Element bevorzugt im Kraftfluß einer Zuspannkraft der Bremse angeordnet, weil die durch Reibung entstehenden Schwingungen in diesem Kraftflußweg entstehen und somit dort auch wirksam gedämpft werden können.
Die Erfindung läßt sich nicht nur allgemein bei Vorrichtungen und insbesondere Bremsen der beschriebenen Art verwirklichen, sondern auch bei Einzelteilen derartiger Vorrichtungen bzw. Bremsen, wie den folgenden:
So kann ein Bremsbelag für eine Scheibenbremse ein piezoelektrisches Element zur Schwingungsdämpfung aufweisen. Dabei können das piezoelektrische Element oder die Elemente an der Trägerplatte des Bremsbelages befestigt oder in diese integriert sein. Es ist sogar möglich, die Trägerplatte des Bremsbelages insgesamt als piezoelektrisches Element auszubilden oder einen Teil der Trägerplatte so als piezoelektrisches Element zu gestalten.
Analoge Anwendungen des vorstehend für Bremsbeläge erläuterten Erfindungsgedankens sind möglich bei Bremsbacken für Trommelbremsen, Betätigungskolben für Bremsen, Bremsträgern für Scheibenbremsen und Ankerplatten für Trommelbremsen, die also jeweils ganz oder teilweise piezoelektrisch gestaltet sein können oder ein oder mehrere piezoelektrische Elemente aufweisen können.
Um eine wirksame Dämpfung der mechanischen Schwingung des Bauteils der Vorrichtung oder der Bauteile der Vorrichtung zu erreichen, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß zumindest ein piezoelektrisches Element nahe einem Schwingungsbauch des mechanisch schwingenden Bauteils angeordnet ist. Ein Schwingungsbauch in diesem Sinne ist eine Stelle, an der das mechanisch schwingende Bauteil mit maximaler Amplitude schwingt. Ein an dieser Stelle wirksames, antiperiodisch schwingendes piezoelektrisches Element entfaltet eine besonders hohe Dämpfungswirkung.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine Scheibenbremse mit einer Meßanordnung zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung;
Figur 2 mit einer Meßanordnung gemäß Figur 1 gemessene Beschleunigungen des ein- laufseitigen und des auslaufseitigen Brückenfingers einer Schwimmsattel- Teilbelag-Scheibenbremse;
Figur 3 mit einer Anordnung gemäß Figur 1 gemessene Kräfte an den einlaufsei- tigen und auslaufseitigen Brückenfingern der Scheibenbremse;
Figur 4 die mit einer Anordnung gemäß Figur
1 gemessene Beschleunigung eines der Brückenfinger bei Verwendung von piezoelektrischen Elementen zur Dämpfung; Figur 5 den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung eines der beiden piezoelektrischen Elemente bei einer Messung entsprechend Figur 4 ;
Figur 6A und Figur 6B zwei Prinzip-Schaltbilder für Schaltkreise mit zwei piezoelektrischen Elementen und einer Induktivität;
Figur 7 Messungen zum Koppelverhalten zweier piezoelektrischer Elemente in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz ;
Figur 8 eine Schwimmsattel-Teilbelag- Scheibenbremse mit piezoelektrischen Elementen zur Dämpfung;
Figur 9 eine axiale Draufsicht auf einen Bremsbelag einer Bremse gemäß Figur 8 mit piezoelektrischen Elementen;
Figur 10 einen Schnitt durch den Bremsbelag gemäß Figur 9 ;
Figur 11 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Bremsbelages mit piezoelektrischen Elementen in Draufsicht und
Figur 12 einen Schnitt durch den Bremsbelag gemäß Figur 11.
Figur 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, bei der die mechanische Schwingung eines Bauteils gedämpft wird, eine Schwimmsattel-Teilbelag-Scheibenbremse 10 mit einer Bremsscheibe 12 und einem Sattel 14. In bekannter Weise wird beim Bremsen die Bremsscheibe 12 zwischen zwei Bremsbelägen 14a, 16a eingespannt. Die Bremsbeläge 14a, 16a sind an Belag- trägerplatten 16, 18 aus Metall befestigt. Ein Betätigungs- kolben (vgl. Fig. 8, 20a) wird beim Bremsen axial in einem Zylinder 20 bewegt. Der Sattel 14 über- oder hintergreift mit zwei Brückenfingern 22, 24 den indirekt betätigten Belagträger 16 in bekannter Weise.
Zwischen den Brückenfingern 22, 24 und der Belagträgerplatte 16 sind gemäß Figur 1 zwei Kraftsensoren 26, 28 angeordnet, die jeweils die in axialer Richtung (in der üblichen Bezeich- nungsweise axial im Bezug auf die Achse der Scheibenbremse bzw. die Richtung der Zuspannkraft) wirkenden Kräfte messen. Auf der Außenseite der Brückenfinger 22, 24 sind Beschleunigungssensoren 30, 32 angeordnet. Die vorstehend beschriebene Anordnung dient zu Meßzwecken. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß gestalteten Vorrichtung wird dann erhalten, wenn in der vorstehend beschriebenen Anordnung die beiden Kraftsensoren 26, 28 durch piezoelektrische Elemente ersetzt werden. Dies wird weiter unten erläutert. Zunächst zu den Messungen mit der Anordnung gemäß Figur 1:
Die Meßwerte der beiden Beschleunigungssensoren 30, 32 werden über (Ladungs-) Verstärker 34, 36 und ein Tiefpaßfilter 42 in einen Rechner 44 zur Auswertung eingegeben.
Entsprechend werden auch Meßwerte der beiden Kraftsensoren 26, 28 über das Tiefpaßfilter 42 in den Rechner 44 zur Auswertung eingegeben.
Figur 2 zeigt die mit den Beschleunigungssensoren 30, 32 gemessenen Ergebnisse bei einer Bremsung. In Figur 2 ist auf der Abszisse die Zeit in Millisekunden aufgetragen und auf der Ordinate die gemessene Beschleunigung a. Das System aus Belagträgerplatte 16 und Brückenfingern schwingt dabei mit einer Frequenz f = 2500 Hz. Eine Dämpfung ist noch nicht vorgesehen. Figur 2 zeigt mit dicker Linie A die Beschleunigung am auslaufseitigen Brückenfinger und mit dünnerer Kurve E die Beschleunigung am einlaufseitigen Brückenfinger. Wenn sich in Figur 1 die Bremsscheibe 12 von rechts nach links bewegt, wä- re der Brückenfinger 22 einlaufseitig und der Brückenfinger 24 auslaufseitig.
Die Beschleunigung a in Figur 2 zeigt eine periodische Schwingung mit 2500 Hz, also deutlich im für das menschliche Ohr hörbaren Bereich. Die beiden Brückenfinger zeigen gemäß den Messungen nach Figur 2 frequenzgleiche Schwingungen, die um 180° phasenverschoben sind.
Figur 3 zeigt über der gleichen Zeitskala die an den Brückenfingern wirkenden und mit den Kraftsensoren 26, 28 gemessenen Kräfte F. Die mit starker Linie dargestellte Kurve A zeigt wieder die Meßergebnisse am auslaufseitigen Brückenfinger und die feinere Kurve E die Meßergebnisse für den einlaufseitigen Brückenfinger.
Die Figuren 2 und 3 zeigen also die mechanische Schwingung von Bauteilen des Systems "Bremse", die es zu dämpfen gilt.
Hierzu werden in der Anordnung gemäß Figur 1 die beiden Kraftsensoren 26, 28 durch piezoelektrische Elemente ersetzt. Dies ist in den Figuren 8 bis 10 beispielhaft erläutert. Die dort gezeigten piezoelektrischen Elemente 46, 52 treten an Stelle der Kraftsensoren 26, 28. Weitere Einzelheiten der Scheibenbremse gemäß Figur 8 werden weiter unten erläutert.
Die beiden so an Stelle der Kraftsensoren 26, 28 in der Anordnung gemäß Figur 1 eingesetzten piezoelektrischen Elemente werden über einen Schalter 38 elektrisch geschaltet. Im Schaltkreis der beiden piezoelektrischen Elemente und des Schalters 38 ist weiterhin eine Induktivität (L) 40 geschaltet. Figur 6B zeigt das Prinzip-Schaltbild (wobei der Schalter 38 noch im Schaltkreis hinzugedacht werden muß) .
Figur 4 zeigt Meßergebnisse bei Verwendung der vorstehend erläuterten piezoelektrischen Elemente. Mit den Beschleunigungssensoren 30, 32 werden wieder die Beschleunigungen an den Brückenfingern 22, 24 gemessen. Zum Zeitpunkt 0 auf der Zeit-Ordinate gemäß Figur 4 wird der Schalter 38 während ei- ner Bremsung geschlossen. Figur 4 zeigt, daß vor dem Zeitpunkt "0" die Brückenfinger stark schwingen mit den dargestellten Amplituden der Beschleunigung a. Bei dieser Messung ist eine Frequenz der mechanischen Schwingung von f = 4000 Hz zugrundegelegt. Die Induktivität L beträgt 61 mH.
Sobald der Schalter 38 zum Zeitpunkt "0" geschlossen wird, werden die piezoelektrischen Elemente 46, 52 dämpfend wirksam, wie Figur 4 zeigt. Ein piezoelektrisches Element wird durch die mechanische Schwingung zwischen der Belagträgerplatte 16 und den Brückenfingern 22, 24 periodisch komprimiert und erzeugt so piezoelektrisch eine periodische Spannung gleicher Frequenz. Diese periodische Spannung wird an das andere piezoelektrische Element angelegt, so daß dieses aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effektes mechanisch zu schwingen beginnt, d. h. sich periodisch ausdehnt und zusammenzieht. Hierdurch wird die Schwingung des Systems aus Belagträgerplatte 16 und Brückenfingern gedämpft. Wie Figur 4 zeigt, fällt die Schwindung in weniger als 0,1 sek praktisch völlig ab.
Figur 5 zeigt die gemessene piezoelektrische Spannung U. Sobald zum Zeitpunkt "0" der Schalter 38 geschlossen wird, fällt auch die Spannung U an den beiden piezoelektrischen Elementen 46, 52 in deutlich weniger als 0,1 sek auf vernachlässigbar kleine Werte ab, was anzeigt, daß der selbstdämpfende Effekt der beiden kreuzweise geschalteten und wirksamen piezoelektrischen Elemente höchst wirksam ist.
Die Figuren 6A und 6B zeigen Prinzip-Schaltbilder für mögliche Schaltkreise, gemäß denen zwei piezoelektrische Elemente mit den Kapazitäten C^ und C2 sowie die Induktivität L (40) geschaltet werden können; dabei sind jeweils die Gesamtkapazität und auch die Resonanzfrequenz f0 in der Figur angegeben. Die Kapazitäten und Induktivitäten werden bevorzugt so gewählt, daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises der zu dämpfenden mechanischen Schwingung entspricht oder zumindest in einem ganzzahligen Verhältnis dazu steht. Figur 7 zeigt den Vorteil einer derartigen Abstimmung der elektrischen Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit den piezoelektrischen Elementen auf die Frequenz der mechanischen Schwingung des Systems, die gedämpft werden soll. In Figur 7 ist auf der Ordinate ein Koppelfaktor k aufgetragen und auf der Abszisse die Frequenz. Der Koppelfaktor k ist ein Maß dafür, wie stark die Koppelung der beiden piezoelektrischen Elemente und damit ihre Dämpfungswirkung ist. Die untere, im wesentlichen beim Wert 0,3 verlaufende Kurve zeigt den Fall, daß die beiden piezoelektrischen Elemente 46, 52 ohne Zwischenschaltung einer Induktivität direkt miteinander verbunden sind. Die obere Kurve mit einem Maximum bei etwa 600 Hz zeigt den Fall, daß eine Induktivität von 900 mH zugeschaltet ist und so ein Schwingkreis gebildet wird, dessen Resonanzfrequenz bei etwa 600 Hz liegt. In diesem Falle steigt der Koppelfaktor im Resonanzfall stark an (auf Werte von etwa 2). Somit kann durch Betreiben der Schwingkreise gemäß den Figuren 6A bzw. 6B im Resonanzbereich und durch Abstimmen der Schwingkreis-Resonanzfrequenz f0 auf die im wesentlichen zu verhindernde mechanische Schwingungsfrequenz ein störendes Schwingen von Bauteilen der Bremse wirksam verhindert werden.
Figur 8 zeigt Einzelheiten einer Schwimmsattel-Teilbelag- Scheibenbremse 10, die oben bereits hinsichtlich ihres herkömmlichen Aufbaues erläutert wurde. Zwischen der indirekt betätigten Belagträgerplatte 16 und den Brückenfingern 22, 24 sind gemäß den Figuren 8, 9 und 10 zwei piezoelektrische Elemente 46, 52 angeordnet, und zwar derart, daß der Kraftfluß von den Brückenfingern über die piezoelektrischen Elemente auf die Belagträgerplatte übertragen wird. Die piezoelektrischen Elemente sind zwischen Metallplättchen 48, 50 eingeklemmt, die ihrerseits jeweils außenseitig konkav gekrümmt in entsprechende konvexe Mulden im Brückenfinger bzw. der Belagträgerplatte eingreifen. Die Figur 10 zeigt beispielhaft zwei Mulden 54, 56 in der Belagträgerplatte 16.
Gemäß Figur 8 kann der Eingriff zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Bauteil, dessen Schwingung gedämpft werden soll, auch indirekt erfolgen, also z. B. über ein zwi- schengeschaltetes Bauteil, wie den hier gezeigten Metall- plättchen.
Wie die Figuren 8 bis 10 zeigen, sind die beiden piezoelektrischen Elemente 46, 52 etwa in Höhe des wirksamen Mittelpunktes der Zuspannkraft (entsprechend der Achse A gemäß Figur 8) so angeordnet, daß ein piezoelektrisches Element auf der Einlaufseite und das andere piezoelektrische Element auf der anderen Seite, also auslaufseitig angeordnet ist.
Die Figuren 11 und 12 zeigen Abwandlungen der Ausführungsfor gemäß den Figuren 9 und 10. In zylindrischen Vertiefungen in der Belagträgerplatte 16' sind die piezoelektrischen Elemente 46' und 52' angeordnet. Induktivitäten 58, 60 sind ebenfalls direkt auf der Belagträgerplatte 16' montiert, und zwar mit Hilfe von Lagerscheiben 62, 64, die bei dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kunststoff, z. B. Polyoxy ethylen bestehen. Die Induktivitäten 58, 60 sind als spiralförmige Wicklungen ausgebildet.
Die dargestellten Anordnungen von piezoelektrischen Elementen gemäß den Figuren 8 bis 12 können in verschiedener Weise geschaltet werden. Jedes der piezoelektrischen Elemente kann für sich als Einzelbaugruppe mit einer Induktivität zu einem selbständigen Schwingkreis geschaltet werden, wobei die auf das piezoelektrische Element wirkende mechanische Schwingung der Bremse eine elektrische Spannung erzeugt, die mittels der Induktivität so auf das piezoelektrische Element rückwirkt, daß der umgekehrte piezoelektrische Effekt (also die mechanische Schwingung des piezoelektrischen Elementes aufgrund der angelegten Spannung) eine Dämpfung im oben beschriebenen Sinne bewirkt.
Andererseits können die beiden (oder mehrere) piezoelektrische Elemente auch einem gemeinsamen Schwingkreis angehören, wie oben beschrieben.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen benötigen die Schwingkreise mit den piezoelektrischen Elemente keine Fremd- energie. Es ist aber auch möglich, die piezoelektrischen Spannungen durch elektronische Hilfsmittel zu verstärken.
Es ist auch möglich, die in den Schaltkreisen verwendeten Induktivitäten und Kapazitäten einstellbar zur Anpassung an das jeweils vorliegende System auszugestalten.
Für eine gegebene Vorrichtung, wie z. B. eine konkrete Scheibenbremse, werden die Leistungsdaten, insbesondere Kapazitäten, der einzusetzenden piezoelektrischen Elemente und die Induktivitäten experimentell mit einer Anordnung gemäß Figur 1 optimiert und dann entsprechend für das gegebene System verwendet. Für eine optimale Abstimmung der Frequenzen und eine Optimierung der Dämpfung kann es erforderlich sein, zusätzliche Kapazitäten und/oder Induktivitäten und/oder Widerstände in den Schwingkreisen vorzusehen.
Koppelverluste zwischen den piezoelektrischen Elementen können durch Fremdenergie ausgeglichen werden.
Es können auch mehrere piezoelektrische Elemente jeweils so geschaltet werden, daß die in ihnen erzeugten piezoelektrischen Spannungen zusammengeschaltet (überlagert) werden und daß mit diesen zusammengeschalteten Spannungen jeweils die gleichen oder weitere piezoelektrische Elemente beaufschlagt werden, um mittels des umgekehrten piezoelektrischen Effektes die Dämpfung zu erzielen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung mit einem Bauteil (16, 22, 24), das mechanisch schwingen kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges piezoelektrisches Element (46, 52) mit dem Bauteil (16, 22, 24) in Eingriff steht und elektrisch so angeregt wird, daß es Schwingungen des Bauteils dämpft.
2. Vorrichtung mit einem Bauteil (16, 22, 24), das mechanisch schwingen kann, wobei zumindest zwei piezoelektrische Elemente (46, 52) mit dem schwingenden Bauteil (16, 22, 24) in Eingriff stehen und so elektrisch geschaltet sind, daß eine Schwingung in dem einen piezoelektrischen Element eine periodische elektrische Spannung erzeugt, aus der eine Spannung abgeleitet wird, die zur Dämpfung an das andere piezoelektrische Element angelegt wird, wobei der abgeleiteten Spannung zur Schwingungsdämpfung keine Fremdenergie zugeführt wird, die nicht von dem einen piezoelektrischen Element herrührt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Induktivität (40) eine Phasenbeziehung zwischen der erzeugten periodischen elektrischen Spannung und der zur Dämpfung angelegten Spannung eingestellt ist.
4. Vorrichtung mit einem Bauteil (16, 22, 24), das mechanisch schwingen kann, wobei zumindest ein piezoelektrisches Element (46, 52) mit dem Bauteil (16, 22, 24) in Eingriff steht und elektrisch so angeregt wird, daß es Schwingungen des Bauteils dämpft, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein piezoelektrisches Element als kapazitives Element in zumindest einem elektrischen Schwingkreis geschaltet ist, und daß dieser Schwingkreis eine Resonanzfrequenz hat, die auf die mechanische, zu dämpfende Schwingungsfrequenz abgestimmt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Bremse, insbesondere eine Scheibenbremse, wie eine Schwimmsattelbremse oder eine Schwimmrahmenbremse, oder eine Trommelbremse ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse eine Schwimmsattel- oder Schwimmrahmenbremse ist und daß das Bauteil, das Geräusche erzeugen kann, ein Belagträger (16) und/oder ein Teil (22, 24) des Bremssattels oder -rahmens, wie ein Brückenfinger, ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse eine Schwimmsattel- oder Schwimmrahmenbremse ist und zumindest ein piezoelektrisches Element (46, 52) zwischen dem Belagträger (16) und einem Teil des Sattels bzw. Rahmens der Bremse wirkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei piezoelektrische Elemente (46, 52) mit einem Abstand in Umfangsrichtung der Bremse angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Element (46) auf der Einlaufseite der Bremse und ein anderes piezoelektrisches Element (52) auf der Auslaufseite der Bremse angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 7 bis 9 mit einer Induktivität (40) im elektrischen Kreis zumindest eines piezoelektrischen Elementes, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität in ein Bauteil der Bremse integriert oder an oder in ihm montiert ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem piezoelektrischen Element (46) erzeugte elektrische Spannung an ein anderes piezoelektrisches Element (52) zur Dämpfung angelegt wird, gegebenenfalls nach einer Verstärkung und/oder Phasenverschiebung.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 , 4 oder 7 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei piezoelektrische Elemente in einem Schwingkreis geschaltet sind, der so abgestimmt ist, daß die Dämpfungswirkung zumindest eines der piezoelektrischen Elemente maximal ist im Bereich einer hauptsächlich zu dämpfenden mechanischen Schwingungsfrequenz.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Element (46, 52) im Kraftfluß einer Zu- spannkraft der Bremse angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13 als Schwimmsattel- oder Schwimmrahmenbremse, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Element (46, 52) zwischen einem Bauteil (22, 24) des Sattels (14) oder Rahmens und einer Belagträgerplatte (16) der Bremse angeordnet ist.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein piezoelektrisches Element nahe einem Schwingungsbauch des mechanisch schwingenden Bauteils angeordnet ist.
16. Schwimmsattel- oder Schwimmrahmenbremse mit Bremsbelagträgern (16) und einem Bremssattel oder -rahmen, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein piezoelektrisches Element (46, 52) so in bezug auf ein Bauteil der Bremse, wie einen Bremsbelagträger (16) und/oder einen Teil (22, 24) des Bremssattels oder -rahmens, angeordnet ist und so elektrisch angeregt wird, daß es Schwingungen des Bauteils dämpft.
17. Trommelbremse mit Bremsbacken und einer Ankerplatte, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein piezoelektrisches Element zur Schwingungsdämpfung an dem Bremsbacken und/oder der Ankerplatte angeordnet ist.
18. Bremsbelag für eine Scheibenbremse, gekennzeichnet durch zumindest ein piezoelektrisches Element (46, 52) zur Schwingungsdämpfung.
19. Bremsbacken für eine Trommelbremse, gekennzeichnet durch zumindest ein piezoelektrisches Element zur Schwingungsdämpfung.
20. Betätigungskolben für eine Bremse, gekennzeichnet durch zumindest ein piezoelektrisches Element (46, 52) zur Schwingungsdämpfung .
21. Bremsträger für eine Scheibenbremse, gekennzeichnet durch zumindest ein piezoelektrisches Element zur Schwingungsdämpfung .
22. Ankerplatte für ein Trommelbremse, gekennzeichnet durch zumindest ein piezoelektrisches Element zur Schwingungsdämpfung.
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