EP1507988A1 - Vorrichtung zur stossdämpfung mittels piezoaktoren - Google Patents

Vorrichtung zur stossdämpfung mittels piezoaktoren

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Publication number
EP1507988A1
EP1507988A1 EP03740013A EP03740013A EP1507988A1 EP 1507988 A1 EP1507988 A1 EP 1507988A1 EP 03740013 A EP03740013 A EP 03740013A EP 03740013 A EP03740013 A EP 03740013A EP 1507988 A1 EP1507988 A1 EP 1507988A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezo stack
housing
double cone
passage
piston
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03740013A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian Fleischer
Reinhard Freitag
Hans Meixner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1507988A1 publication Critical patent/EP1507988A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32—Details
    • F16F9/44—Means on or in the damper for manual or non-automatic adjustment; such means combined with temperature correction
    • F16F9/46—Means on or in the damper for manual or non-automatic adjustment; such means combined with temperature correction allowing control from a distance, i.e. location of means for control input being remote from site of valves, e.g. on damper external wall
    • 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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    • F16F9/32—Details
    • F16F9/3207—Constructional features
    • F16F9/3214—Constructional features of pistons
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    • F16F9/46—Means on or in the damper for manual or non-automatic adjustment; such means combined with temperature correction allowing control from a distance, i.e. location of means for control input being remote from site of valves, e.g. on damper external wall
    • F16F9/466—Throttling control, i.e. regulation of flow passage geometry
    • 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
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0283—Materials; Material properties solids piezoelectric; electro- or magnetostrictive

Definitions

  • the invention relates to a damping mechanism that is adaptive to varying shocks.
  • damping mechanisms are used where varying pressure exerted on an object places a heavy burden on the integrity of the material of the object.
  • the protection of a sensitive load can basically be ensured with a damping mechanism in that the damping mechanism absorbs the force that would otherwise load the load.
  • a shock absorber usually consists of a cylinder housing which is filled with a fluid, e.g. is filled with a liquid or with a gas which is set in motion or under pressure by a piston.
  • the piston moves up and down along the main axis of the cylinder in such a way that the liquid contained in the cylinder housing passes through an adjustable passage space, e.g. the space between the inner wall of the cylinder housing and the outer, peripheral edge of the piston can flow.
  • the damping properties can first be changed by regulating the viscosity of the fluid or the width of a passage space. A combination of these methods can be carried out. It can thus be determined in which time the damper gives in which way in the cylinder.
  • Adaptive damping properties are an extremely important extension of the above principle. The damping in a sporty exploitation of a motor vehicle would, for example, generally have to be tuned harder than the softer damping in the event of normal use of a vehicle.
  • the profile of a road to be driven over can be detected, for example, by sensors, this information first being used to control the damping of the vehicle.
  • the damper should be able to change the damping within a very short time (e.g. in the range from a few ms down to a few 10 ⁇ s).
  • a first method consists of the variation of the passage space for the damping fluid with the help of an electromagnetic damper creation, a kind of "solenoid valve” which opens to different degrees to enlarge the flow cross section.
  • a disadvantage of this method and of this device is that for some damping tasks an excessively long response and response time, which is further restricted by the magnetization of the coil, is required.
  • Another, second method is that the change in the viscosity of the damper fluid, in contrast to conventional hydraulic fluids such as oil, is realized with so-called electro- or magnetorheological fluids.
  • the change in viscosity is achieved by the properties of suspended, fine magnetic particles which are exposed to a magnetic or electrical field.
  • the field at the passage space of the piston is guided in such a way that dipoles form along the field lines and increase the viscosity of the liquid by about an order of magnitude. This process is reversible, with response times in the millisecond range.
  • the flow of the fluid through the passage space can be controlled in the order of magnitude.
  • a disadvantage of this method is, in particular, the temperature dependence of the fluid viscosity, the high price of the fluid, the abrasion of the discharge opening by the particles and the risk of the particles settling out when the system is idle for a long time.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a shock absorbing mechanism in which an extremely fast response time and optimal damping is achieved with different impacts.
  • the invention essentially consists in the fact that a connection between a piezo stack / actuator and a movable object is designed in a damping mechanism in such a way that a cross section of the object expands through electrical actuation of the piezo stack or the opening width is varied by passage openings in the object and thus the width of a passage space is determined for the fluid contained in the damping housing.
  • the passage of a fluid between a piston and the inside of the damping housing is regulated in that the extent of the cross section of the piston or the extent of a part of the object is applied by applying an electrical voltage to a piezo actuator is determined.
  • the piezo actuator is in direct, mechanical connection with the piston.
  • the piezo actuator can be accommodated in the spaces of a piston in which cross-sectional regulation takes place.
  • the piezo actuator can be outside the area of a cross-sectional control, e.g. in the piston skirt.
  • the object in the liquid's cross for example an extension of a piston, is a hollow double cone.
  • the maximum cross-section of the hollow double cone is between the upper and lower half of the hollow double cone.
  • the object standing in the way of the liquid can alternatively also be cylindrical, the object having at least one variable passage opening.
  • a piezo stack is expanded by means of an electrical activation.
  • the piezo stack is connected to the object in such a way that the passage openings for the liquid can be varied.
  • the cross section of the object or one or more opening widths of passage openings in the object itself can be varied.
  • the piezo stack is held under a pretension and is therefore protected from external impacts and harmful tensile stresses.
  • the preload can be achieved in that the piezo stack is accommodated in a preloaded hollow double cone or a preloaded tubular spring.
  • FIG. 1 shows a basic embodiment of an adaptive damper, in which the cross section of a double-cone piston is variable
  • Figure 2 shows a shock absorber according to Figure 1 with built-in piezo stack and electrical connection
  • Figure 3 shows a shock absorber according to Figure 2, in which the piezo actuator is housed in the piston skirt and the Cross section of the double-cone piston can be varied by means of a circular cone, the maximum expansion of the cross section being achieved by means of minimum stress, and
  • Figure 4 shows a shock absorber according to Figure 3, in which the maximum expansion of the cross section is achieved by maximum tension, and
  • FIG. 5 shows a shock absorber according to FIG. 4 with a cylindrical piston with two passage openings controllable by piezo actuators, and
  • FIG. 6 shows a device for the passage regulation according to FIG. 5.
  • FIG. 1 a basic embodiment of a shock absorber is shown.
  • the wall thickness of the piston housing is specified with A, the piston itself with B, the oil in the housing with C and a double-cone piston or the variation of its cross-section with D.
  • the direction of movement of the piston is shown with the arrows E.
  • FIG. 2 shows an adaptive damper based on a principle of the cross-sectional variation of a through-flow opening, in which this variation is however not achieved with an electromagnetic valve, but rather by means of deformation of the piezo stack that is particularly suitable for this purpose.
  • the piezostack consists of several piezo-ceramic layers. When an electrical voltage is applied to the piezo stack or to a piezo-ceramic layer, the height of a piezo-ceramic layer expands. This expansion spreads through the remaining layers and thus leads to an expansion of the entire piezo stack. A change in the flow opening is possible by means of a connection between the piezo stack and a cross-sectional regulator.
  • the piston 2 is designed and expanded as a hollow double cone 1, that is to say two superposed cones 3 and 3 ', the surface lines of which are connected to one another on the respective base areas of the individual cones.
  • the cones 3 and 3 ' can be welded together at points 4 or 8.
  • a piezo stack 5 is installed in the double cone 1 in the double cone axis such that its end points are connected to the cone tips 6 and 6 'in the direction of the longitudinal axis of the housing.
  • the piezo stack 5 is lengthened by applying an electrical voltage or current through the supply lines 7, the cone tips 6 move away from each other on the double axis in such a way that the largest diameter of the double cone, which represents the sealing surface of the damper piston, becomes smaller and more fluid 9 can flow past the piston 2, so that the damping becomes less.
  • the piezo stack basically only expands in one direction when electrically activated. Tension that is generated, for example, while a vehicle is traveling, especially over uneven terrain, can have a detrimental effect on the piezo stack. In order to protect the piezo stack from such damaging impacts, it is preferred that the piezo stack is installed in a tubular spring (not shown) and is held by this spring under permanent compressive stress. In the event that the double cone 6 is prestressed by welding, the function of the Bourdon tube to protect the piezo actuator can alternatively be bypassed and the protective function taken over by the double cone.
  • the wall thickness of the cone is made as thin as possible. This measure enables a maximum expansion of the piston cross section, which also depends on the diameter of the piston housing.
  • the conical surface between the tip 6 'and the sealing surface ie the position of the largest cross-sectional variation 4 or 8 is advantageously reinforced on one or both sides of the double cone 6 by embossed ribs or beads, welded-out rods or other material reinforcements, such as, for example, the rods of an umbrella.
  • the material of the double cone can be selected depending on the rigidity, cost, strength and / or weight.
  • the double cone could consist, for example, of metal or a fiber-reinforced plastic.
  • the circumference of the maximum cross section of the double cone 6 is preferably circular, since in particular a circular cross section of the double cone 6 can be optimally changed, which would not be the case with other geometries.
  • the choice of the ratio between the height of the double-cone piston and its diameter determines the ratio of the damping when the piezo stack / actuator is de-energized to the damping when the piezo stack / actuator is activated.
  • the variation ratio can also be controlled by the choice of the absolute diameter of the piston housing and the difference between the inside diameter of the cylinder and the outside diameter of the piston.
  • FIG. 3 shows a device which uses the principle according to FIG. 2, but in which the piezo stack 5a is accommodated outside the hollow double cone 6a, preferably in the housing of the shock absorber 2a.
  • the maximum expansion of the double-cone cross section is achieved by the piezo actuator 5a via a rod 5a 'connected to the piezo stack in a rest position, ie without electrical activation. Maximum damping is thus achieved.
  • FIG. 4a in the opposite sense of FIG. 3, the maximum damping by deflecting the piezo stack 5b and the minimum damping by the rest position of the piezo stack is achieved.
  • the rest position, ie in the absence of electrical activation, of the piezo stack can be seen in such a way that the lower tip of the double cone 13 is pulled away from the piezo stack or is pushed away from the piezo stack. This ensures a smaller cross-section of the double-cone piston.
  • the piezo stack When the piezo stack is deflected by electrical activation via the feed lines 7, the piezo stack is pulled up in the direction of the piston skirt 2 by means of strips 11a and 11b from FIG. 4b located behind it.
  • the force of the piezo stack can be introduced via a circular cone 12. An expansion of the double-cone cross section, whereby an increased damping is achieved, is therefore possible.
  • a circular cylinder is used instead of a double cone, in which the outermost dimension d extends to the inner wall of the damping housing, but the cylinder has through openings la and lb perpendicular to the piston axis, which are provided by a slide frame 2a and thus by slides 2b, which can be controlled by piezo actuators, unlocked and locked.
  • the supply to the piezo actuator takes place via the connection 3, which can be accommodated in the piston 4, for example.
  • FIG. 6 shows the sliding mechanism which is used in the embodiment according to FIG. 5.
  • the piezo actuator 1 is perpendicular to the piston axis and, due to its electrical activation and subsequent expansion, causes the slide frame 3 to be displaced, which by means of the slides 2 vary the cross section of the passage openings according to FIG. 5.
  • the slide frame is preferably designed in the form of a parallelogram or rhombus, whereby movable connections 4 between the edges of the slide frame 3 enable the slide 2 to move to and from one another.
  • the control of the passage openings can in principle be achieved by means of a connection with sensors which send suitable electrical signals to the piezostacks of the damping mechanism according to the invention.
  • the signals would be processed by an evaluation unit for the first time.
  • This evaluation unit can typically have a processor, a memory and a stored program product.
  • the area in front of a vehicle could be scanned using the sensors and correlated with the speed of the vehicle in such a way that the piezo stacks are activated at a point in time when the vehicle is currently driving over an obstacle. Further training of this type is also interesting for aircraft during a turbulent flight phase.
  • a further embodiment of the invention would allow manual activation of the damping properties. This option would be interesting for longer off-road or motorway routes.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass eine Verbindung zwischen einem Piezostack / Aktor und einem beweglichen Objekt in einem Dämpfungsmechanismus derart ausgebildet ist, dass sich ein Querschnitt des Objekts durch elektrische Ansteuerung des Piezostacks ausdehnt oder die Öffnungsweite von Durchlassöffnungen im Objekt variiert wird und somit die Weite eines Durchlassraums für das im Dämpfungsgehäuse enthaltene Fluid bestimmt wird. Somit ergeben sich die Vorteile, dass auf Grund der prinzipiell einfachen Einrichtung der Erfindung mehrere Ausführungsformen denkbar sind, aber grundsätzlich anhand einer besonders einfachen Vorrichtung eine erheblich verbesserte Reaktionszeit und Variierbarkeit der Dämpfungseigenschaften gewährleistet wird.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Stoßdämpfung mittels Piezoaktoren
Die Erfindung betrifft einen für variierende Stöße adaptiven Dämpfungsmechanismus.
In vielen Bereich der Technik werden Dämpfungsmechanismen dort eingesetzt, wo variierende Druckausübungen auf einen Gegenstand die Integrität des Materials des Gegenstandes schwer belasten. Dabei seien Räder an einem Kraft- oder Luftfahrzeug, ein Sitz oder eine Sitzschale in einem Kraft- oder Luftfahrzeug oder weitere Gegenstände, . welche ruclartigen Beschleunigungen ausgesetzt werden, wie z.B. Geschützröhren, genannt .
Der Schutz eines empfindlichen Ladeguts kann mit einem Dämpfungsmechanismus grundsätzlich dadurch gewährleistet werden, dass der Dämpfungsmechanismus die Kraft absorbiert, die sonst das Ladegut belasten würden.
Ein Stoßdämpfer besteht meist aus einem Zylindergehäuse, der mit einem Fluid, z.B. mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas, welches von einem Kolben in Bewegung bzw. unter Druck gesetzt wird, gefüllt ist. Der Kolben bewegt sich derart längs zur Hauptachse des Zylinders auf und ab, dass die im Zylindergehäuse enthaltene Flüssigkeit durch einen einstellbaren Durchlassraum, wie z.B. der Raum zwischen der Innenwand des Zylindergehäuses und dem äußeren, umfassenden Rand des Kolbens, strömen kann.
Die Dämpfungseigenschaften können zunächst mit einer Regulierung der Viskosität des Fluids oder der Weite eines Durchlassraums geändert werden. Eine Kombination dieser Methoden ist durchaus ausführbar. Es kann somit bestimmt werden, in welcher Zeit der Dämpfer um welchen Weg im Zylinder nachgibt. Adaptive Dämpfungseigenschaften sind dabei eine äußerst wichtige Erweiterung des oben genannten Prinzips. Die Dämpfung bei einer sportlichen Ausnützung eines Kraftfahrzeuges müsste beispielsweise in der Regel härter abgestimmt sein als die weichere Dämpfung im Falle einer normalen Ausnützung eines Fahrzeuges .
Es besteht das Bedürfnis, die Dämpfungseigenschaften eines Dämpfers auch im Laufe des Betriebs eines Objektes zu ändern und für ein zu schützendes Teil optimal einzustellen. Da bei hohen Geschwindigkeiten eine erhöhte Dichte von Kräften in verschiedenen Richtungen zu erwarten ist, wird die Verwendung von elektronisch kontrollierbaren Dämpfern herangezogen, da hier die Reaktionszeit deutlich schneller ist als bei rein hydraulischen Dämpfungsregulierungen.
Das Profil einer zu überfahrenden Straße kann beispielsweise über Sensoren erfasst werden, wobei diese Information zunächst zur Steuerung der Dämpfung des Fahrzeuges verwendet wird. Hierbei sollte der Dämpfer in der Lage sein, innerhalb von kürzester Zeit (z.B. im Bereich vom einiger ms bis herunter zu einigen 10 μs) die Dämpfung ändern zu können.
Die Variation des Ausmaßes des Durchlassraumes für ein Fluid in einem Dämpfungsgehäuse wird zur Zeit durch zwei übliche Systeme ermöglicht.
Ein erstes Verfahren besteht aus der Variation des Durchlassraumes für das Dä pfungsfluid mit Hilfe einer elektromagnetischen Dämpfer erstellung, einer Art "Magnetventil", das sich zum Vergrößern des Durchströmungsquerschnitts verschieden weit öffnet.
Bei diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung ist nachteilig, dass für manche Dämpfungsaufgaben eine zu lange Ansprech- und Reaktionszeit, welche ferner durch die Magnetisierung der Spule eingeschränkt ist, gefordert ist. Eine weitere, zweite Methode besteht darin, dass die Änderung der Viskosität des Dämpferfluids im Gegensatz zu üblichen Hydraulikflüssigkeiten wie Öl, mit sogenannten elektro- bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten realisiert wird. Im Falle einer magnetorheologischen Flüssigkeit wird die Viskositätsänderung durch die Eigenschaften von suspendierten, feinen Magnetpartikeln, welche einem magnetischen- oder elektrischen Feld ausgesetzt werden, erreicht. Dabei wird das Feld am Durchlassraum des Kolbens derart geleitet, dass sich Dipole entlang der Feldlinien ausbilden und zu einer Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit um etwa eine Größenordnung führen. Dieser Vorgang ist reversibel, wobei die Reaktionszeiten im Bereichen von Millisekunden liegen dürften. So kann der Durchfluss des Fluids durch den Durchlassraum im Bereich einer Größenordnung kontrolliert werden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Fluidviskosität, der hohe Preis des Fluids, die Abrasion der Drösseiöffnung durch die Partikel und die Gefahr des Absetzens der Partikel bei längerem Stillstand.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stoßdämpfungsmechanismus anzugeben, bei dem eine äußerst schnelle Reaktionszeit und optimale Dämpfung bei unterschiedlichen Stößen erreicht wird.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass eine Verbindung zwischen einem Piezostack / Aktor und einem beweglichen Objekt in einem Dämpfungsmechanismus derart ausgebildet ist, dass sich ein Querschnitt des Objekts durch elektrische Ansteuerung des Piezostacks ausdehnt oder die Öffnungsweite von Durchlassöffnungen im Objekt variiert wird und somit die Weite eines Durchlassraums für das im Dämpfungsgehäuse enthaltene Fluid bestimmt wird.
Somit ergeben sich die Vorteile, dass auf Grund der prinzipiell einfachen Einrichtung der Erfindung mehrere Ausführungsformen denkbar sind, aber grundsätzlich anhand einer besonders einfachen Vorrichtung eine erheblich verbesserte Reaktionszeit und Variierbarkeit der Dämpfungseigenschaften gewährleistet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kontrolle eines Flüssigkeitsstromes in einem Dämpfungsmechanismus, wird der Durchlass eines Fluids zwischen einem Kolben und der Innenseite des Dämpfungsgehäuses dadurch reguliert, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einem Piezoaktor das Ausmaß des Querschnitts des Kolbens oder die Ausdehnung eines Teils des Objekts bestimmt wird.
Der Piezoaktor ist dabei in direkter, mechanischer Verbindung mit dem Kolben.
Der Piezoaktor kann in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung im Räume eines Kolbens untergebracht sein, in dem eine Querschnittsregelung erfolgt.
Alternativ kann der Piezoaktor außerhalb des Raumes einer Querschnittsregelung liegen, wie z.B. im Kolbenschaft.
Es wird grundsätzlich bevorzugt, dass das der Flüssigkeit in der Quere liegende Objekt, z.B. eine Erweiterung eines Kolbens, ein Hohldoppelkegel ist. Dabei ist der maximale Querschnitt des Hohldoppelkegels zwischen der oberen und der unteren Hälfte des Hohldoppelkegels. Das der Flüssigkeit in der Quere stehende Objekt kann alternativ auch zylinderförmig sein, wobei das Objekt mindestens eine variierbare Durchlassöffnung aufweist.
Beim Verfahren zur Steuerung einer Durchlassöffnung für eine Flüssigkeit oder ein Gas in einem Gehäuse mittels eines beweglichen Objekts, wird über eine elektrische Aktivierung ein Piezostack zur Ausdehnung gebracht wird. Der Piezostack steht derart mit dem Objekt in Verbindung, dass die Durchlassöffnungen für die Flüssigkeit variiert werden können.
Dabei kann der Querschnitt des Objekts oder eine oder mehrere Öffnungsweiten von Durchlassöffnungen im Objekt selbst variiert werden.
In einer äußerst wichtigen Erweiterung der Erfindung wird der Piezostack unter einer Vorspannung gehalten und somit von äußeren Stößen und schädlichen Zugspannungen geschützt. Die Vorspannung kann dadurch erreicht werden, dass das Piezostack in einem vorgespannten Hohldoppelkegel oder einer vorgespannten Rohrfeder untergebracht ist.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden in den Zeichnungen und in den dargestellten Ausführungs- und Anordnungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt
Figur 1 eine prinzipielle Ausführungsform eines adaptiven Dämpfers, bei der der Querschnitt eines Doppelkegelkolbens variierbar ist, und
Figur 2 einen Stoßdämpfer nach Figur 1 mit eingebautem Piezostack und elektrischer Verbindung, und
Figur 3 einen Stoßdämpfer nach Figur 2, bei dem der Piezoaktor im Kolbenschaft untergebracht ist und der Querschnitt des Doppelkegelkolbens mittels eines Kreiskegels variierbar ist wobei die maximale Ausdehnung des Querschnitts durch minimale Spannung erreicht wird, und
Figur 4 einen Stoßdämpfer nach Figur 3, bei dem die maximale Ausdehnung des Querschnitts durch maximale Spannung erreicht wird, und
Figur 5 einen Stoßdämpfer nach Figur 4 mit einem zylinder- förmigen Kolben mit zwei durch Piezoaktoren kontrollierbaren Durchlassöffnungen, und
Figur 6 eine Vorrichtung für die Durchlassregulierung nach Figur 5.
In Figur 1 wird eine grundsätzliche Ausführungsform eines Stoßdämpfers gezeigt. Dabei wird die Wandstärke des Kolbengehäuses mit A angegeben, der Kolben selbst mit B, das Öl im Gehäuse mit C und ein Doppelkegelkolben bzw. die Variation seines Querschnitts mit D. Die Bewegungsrichtung des Kolbens wird mit den Pfeilen E gezeigt.
In Figur 2 ist ein adaptiver Dämpfer nach einem Prinzip der Querschnittsvariation einer Durchströmungsöffnung angegeben, bei der diese Variation jedoch nicht mit einem elektromagnetischen Ventil erreicht wird, sondern mittels Verformung des besonders für diesen Zweck geeigneten Piezostacks. Der Piezostack besteht dabei aus mehreren piezo-keramischen Schichten. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung am Piezostack bzw. an einer piezo-keramischen Schicht, dehnt sich die Höhe einer piezo-keramischen Schicht aus. Diese Ausdehnung verbreitet sich durch die übrigen Schichten und führt somit zu einer Ausdehnung des gesamten Piezostacks. Mittels einer Verbindung zwischen dem Piezostack und einem Querschnittsregler ist eine Veränderung der Durchströmungsöffnung möglich. Der Kolben 2 wird dabei als Hohldoppelkegel 1, also zwei auf- einandergesetzten Kegeln 3 und 3', deren Mantellinien an den jeweiligen Grundflächen der Einzelkegel miteinander verbunden sind, ausgeführt und erweitert. Die Kegel 3 und 3' können dabei miteinander an den Stellen 4 oder 8 zusammengeschweißt sein. Im Doppelkegel 1 ist ein Piezostack 5 in der Doppelkegel-Achse so eingebaut, dass seine Endpunkte mit den Kegelspitzen 6 und 6' in Richtung der Längsachse des Gehäuses verbunden sind. Verlängert sich der Piezostack 5 durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. Stroms durch die Zuleitungen 7, so bewegen sich die Kegelspitzen 6 auf der Doppelachse derart voneinander weg, dass sich der größte Durchmesser des Doppelkegels, der die Dichtfläche des Dämpferkolbens darstellt, verkleinert und mehr Fluid am Kolben 2 vorbeiströmen kann 9, so dass die Dämpfung weniger wird.
Dabei ist anzumerken, dass der Piezostack bei elektrischer Aktivierung sich grundsätzlich nur in eine Richtung ausdehnt. Zugspannungen, welche beispielsweise während der Fahrt eines Fahrzeuges, besonders über unebenes Gelände, erzeugt werden, können eine schädliche Auswirkung auf den Piezostack haben. Um den Piezostack von solchen schädlichen Stößen zu schützen wird bevorzugt, dass der Piezostack in einer Rohrfeder (nicht gezeigt) eingebaut ist, und von dieser Feder unter permanenter Druckspannung gehalten wird. Im Falle, dass der Doppelkegel 6 durch Zusammenschweißen vorgespannt ist, kann alternativ die Funktion der Rohrfeder zum Schutz des Piezoaktors umgangen werden und die Schutzfunktion vom Doppelkegel übernommen werden.
Um die Elastizität des Doppelkegelkolbens 1 möglichst zu erhöhen, wird die Wandstärke des Kegels möglichst dünn ausgestaltet. Durch diese Maßnahme wird eine maximale ,Ausdehnung des Kolbenquerschnitts, welche sich auch nach dem Durchmesser des Kolbengehäuses richtet, ermöglicht. Um allerdings die durch diese Maßnahme verlorene Stabilität zu kompensieren, wird vorteilhafterweise die Kegelfläche zwischen Spitze 6' und Dichtfläche, d.h. Position der größten Querschnittsvariation 4 oder 8, durch eingeprägte Rippen oder Sicken, ausgeschweißte Stäbe oder sonstige Materialverstärkungen, wie z.B. bei den Stäben eines Regenschirms, auf eine oder beiden Seiten des Doppelkegels 6 verstärkt. Das Material des Doppelkegels kann je nach Steifigkeit, Kosten, Stärke und/oder Gewicht ausgewählt werden. Dabei könnte der Doppelkegel beispielsweise aus Metall oder aus einem fasergestärktem Kunststoff bestehen.
Der Umfang des maximalen Querschnitts des Doppelkegels 6 wird vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, da sich besonders ein kreisförmiger Querschnitt des Doppelkegels 6 optimal ändern lässt, was bei anderen Geometrien nicht der Fall wäre.
Die Wahl des Verhältnisses zwischen der Höhe des Doppelkegelkolbens und seinem Durchmesser legt das Verhältnis der Dämpfung bei spannungslosem Piezostack / Aktor zur Dämpfung bei angesteuertem Piezostack / Aktor fest. Das Variationsverhältnis kann auch durch die Wahl des absoluten Durchmessers des Kolbengehäuses und die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Zylinders und dem Außendurchmesser des Kolbens gesteuert werden.
In Figur 3 ist eine Vorrichtung gezeigt, die das Prinzip nach Figur 2 verwendet, bei der aber der Piezostack 5a außerhalb des Hohldoppelkegels 6a, vorzugsweise im Gehäuse des Stoßdämpfers 2a, untergebracht ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die maximale Ausdehnung des Doppelkegelquerschnitts durch den Piezoaktor 5a über einen mit dem Piezostack verbundenen Stab 5a' in einer Ruhelage, d.h. ohne elektrische Aktivierung, erreicht. Somit ist eine maximale Dämpfung erreicht. In Figur 4a ist im umgekehrten Sinne von Figur 3 die maximale Dämpfung durch Auslenkung des Piezostacks 5b und die minimale Dämpfung durch die Ruhelage des Piezostacks erreicht. Die Ruhelage, d.h. bei fehlender elektrischer Aktivierung, des Piezostacks ist so zu sehen, dass die untere Spitze des Doppelkegels 13 vom Piezostack weggezogen ist bzw. vom Piezostack weggeschoben ist. Eine geringerer Querschnitt des Doppelkegelkolbens wird somit gewährleistet. Bei Auslenkung des Piezostacks durch elektrische Aktivierung über die Zuleitungen 7 wird der Piezostack mittels dahinterliegenden Streifen 11a und 11b aus Figur 4b in die Richtung des Kolbenschafts 2 hochgezogen. Die Einleitung der Kraft des Piezostacks kann über einen Kreiskegel 12 erfolgen. Eine Ausdehnung des Doppelkegelquerschnitts, wodurch eine erhöhte Dämpfung erreicht wird, ist somit möglich.
In Figur 5 wird anstelle eines Doppelkegels ein kreisförmiger Zylinder verwendet, bei dem das äußerste Ausmaß d bis hin zur Innenwand des Dämpfungsgehäuses reicht, der Zylinder aber senkrecht zur Kolbenachse Durchlassöffnungen la und lb aufweist, die von einem Schiebergestell 2a und somit von Schiebern 2b, welche von Piezoaktoren steuerbar sind, auf- und zugeschlossen werden. Die Zuleitung zum Piezoaktor erfolgt dabei über die Verbindung 3, die beispielsweise im Kolben 4 untergebracht werden können.
In Figur 6 ist der Schiebungsmechanismus, welcher in der Ausführungsform nach Figur 5 verwendet wird, dargestellt. Der Piezoaktor 1 liegt dabei senkrecht zur Kolbenachse, bewirkt durch seine elektrischen Aktivierung und anschließende Ausdehnung eine Verschiebung des Schiebergestells 3 die mittels den Schiebern 2 den Querschnitt der Durchlassöffnungen nach Figur 5 variieren. Das Schiebergestell ist dabei vorzugsweise Parallelogramm- oder rhombusförmig ausgebildet, wobei bewegliche Verbindungen 4 zwischen den Rändern des Schiebegestells 3 eine Bewegung der Schieber 2 zu- und voneinander ermöglichen. Die Steuerung der Durchlassöffnungen kann grundsätzlich mittels einer Verbindung mit Sensoren erreicht werden, welche geeignete elektrische Signale an den Piezostacks des erfindungsgemäßen Dämpfungsmechanismus senden. Dabei würden die Signale erstmals von einer Auswerteeinheit verarbeitet werden. Diese Auswerteeinheit kann typischerweise einen Prozessor, einen Speicher und ein gespeichertes Programmprodukt aufweisen.
Dabei könnte beispielsweise das Gelände vor einem Fahrzeug mittels der Sensoren abgetastet und mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges derart korreliert werden, dass eine Aktivierung der Piezostacks zu einem Zeitpunkt erfolgt, wo das Fahrzeug gerade über ein Hindernis fährt. Weitere Ausbildungen dieser Art sind auch für Flugzeuge während einer turbulenten Flugphase interessant.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung würde eine manuelle Einschaltung der Dämpfungseigenschaften erlauben. Diese Möglichkeit wäre für längere Off-Road- oder Autobahnstrecken interessant.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Durchlasskontrolle einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Gehäuse mittels eines beweglichen Objekts, bei der
- zumindest ein Teil des Objekts soweit ausdehnbar ist, dass eine Variation eines Durchlassraums für die Flüssigkeit im Gehäuse steuerbar ist,
- ein Piezostack derart in mechanischer Verbindung mit dem Objekt ist, dass der Querschnitt des Objekts oder die Ausdehnung eines Teils des Objekts mittels der Ausdehnung des Piezostacks steuerbar ist,
- der Piezostacks anhand von elektrischen Signalen durch elektrische Zuleitung aktivierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchlassraum zwischen dem Objekt und der Innenseite eines Gehäuses ist oder der Durchlassraum Teil des Objektes ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Objekt eine Erweiterung eines Kolbens ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Objekt ein Hohldoppelkegel ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Zuleitungen im Kolbenschaft untergebracht sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Piezostack im Hohldoppelkegel untergebracht ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Enden des Piezostacks jeweils mit der oberen und der unteren Spitze des Hohldoppelkegels in mechanischer Verbindung stehen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Piezostack außerhalb des Hohldoppelkegels unterge- bracht ist und in einer mechanischen Verbindung mit dem Hohldoppelkegel steht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Objekt zylinderförmig ist und mindestens eine variierbare Durchlassöffnung aufweist, deren Öffnungsweite von den Piezostacks steuerbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Piezostack in einem zusätzlichen, vorgespannten Gehäuse untergebracht ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Gehäuse ein vorgespannter Hohldoppelkegel ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Gehäuse eine vorgespannte Rohrfeder ist.
13. Verfahren zur Steuerung einer Durchlassöffnung für eine Flüssigkeit oder ein Gas in einem Gehäuse mittels eines beweglichen Objekts, bei dem
- über eine elektrische Aktivierung ein Piezostack zur Ausdehnung gebracht wird,
- der Piezostack derart mit dem Objekt in Verbindung steht, dass die Durchlassöffnung für die Flüssigkeit variiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Piezostack unter einer Vorspannung gehalten wird und somit von äußeren Stößen und / oder schädlichen Zugspannungen geschützt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Querschnitt des Objekts variiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Öffnungweiten von Durchlassöffnungen im Objekt variiert werden.
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