DE102004030935B3

DE102004030935B3 - Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004030935B3
Application number: DE102004030935A
Authority: DE
Inventors: Jochem Fischer
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-06-26
Also published as: FR2874071A1; US20050284713A1; FR2874071B1; US7475761B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist eine Steuereinheit 2 auf, die Störschwingungen erfasst und darauf aufbauend Steuersignale an mindestens einen Aktuator 4 zur Beaufschlagung eines im Fahrzeug angeordneten Schwingungsdämpfer-Moduls 1 abgibt. Über das Schwingungsdämpfer-Modul 1 werden die Störschwingungen überlagernde und dabei dämpfende, phasenverschobene Gegenschwingungen in das Kraftfahrzeug eingeleitet. Erfindungsgemäß ist der mindest eine Aktuator 4 in ein hohlzylindrisches Gehäuse 5 des Schwingungsdämpfer-Moduls 1 integriert und hierbei auf der Innenseite 6 des Gehäuses 5 fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Kraftfahrzeug mit einer Steuereinheit, die Störschwingungen erfasst und darauf aufbauend Steuersignale an mindestens einen Aktuator zur Beaufschlagung eines im Fahrzeug angeordneten Schwingungsdämpfer-Moduls abgibt, um über das Schwingungsdämpfer-Modul die Störschwingungen dämpfende Gegenschwingungen in das Kraftfahrzeug einzuleiten.

Durch die DE 39 39 822 A1 zählt ein schwingungsdämpfendes System für ein Kraftfahrzeug zum Stand der Technik. Störschwingungen werden erfasst und darauf aufbauend Steuersignale für ein Stellglied generiert, über die ein im Fahrzeug angeordneter Schwingkörper zu Schwingungen angeregt wird. Über den Schwingkörper sollen die Fahrzeug-Störschwingungen überlagernde und dabei dämpfende, phasenverschobene Gegenschwingungen in das Kraftfahrzeug eingeleitet werden. Der Schwingkörper wird durch ein fahrzeugeigenes Funktionselement gebildet, beispielsweise die Fahrzeugbatterie oder den Motorkühler. Als Stellglieder können piezokeramische Aktuatoren zur Anwendung gelangen.

In der gattungsbildenden DE 198 20 617 C2 wird eine weitere aktive Schwingungsdämpfungsanordnung für Kraftfahrzeuge beschrieben, bei der längenveränderliche Streben auf der Fahrzeugunterseite in Längsrichtung angeordnet sind. Die Streben sind mittig geteilt und hülsenartig ineinander gesteckt. Durch piezoelektrische Aktuatoren kann die Länge der Streben reguliert werden, um Kompensationsschwingungen zu erzeugen.

Aus der EP 0 720 144 A1 geht ein System zur Reduzierung von durch Schwingungen hervorgerufenen Geräuschen in Fahrzeugen hervor. Eine Sensorik nimmt die Motordrehzahl auf und leitet diese an ein Steuergerät weiter. Das Steuergerät beinhaltet einen Verstärker und steuert mehrere Piezoaktuatoren an, die auf einem Karosseriebauteil versetzt zueinander angeordnet und durch Kleben fixiert sind.

In der DE 197 12 292 A1 wird eine Flanscheinheit beschrieben, die zur aktiven Schwingungsunterdrückung vorgesehen ist. Die Flanscheinheit ist zwischen einem Schwingungserreger und einer tragenden Struktur angeordnet und umfasst zwei Flansche, zwischen denen ein druckerzeugendes Element, das aktiv steuerbar ist, sowie Faserverbundschlaufen und ein Rohr angeordnet sind. Die Flanscheinheit kann neben Zug- und Druckkräften auch Schubspannungen übertragen. Die Gegenschwingungen werden durch Elongation oder Kontraktion des Druckelements erzeugt.

Die Schwingungsdämpfungsanordnung der DE 199 23 704 A1 umfasst längenveränderliche Längsstreben, die diagonal auf der Unterseite des Karosseriebodens montiert sind. Diese dienen dem Ausgleich von Längs-, Quer- und Torsionskräften sowie von Schwingungen in diesen Richtungen. Zur Bewirkung der Längenveränderungen sind Piezoelemente vorgesehen, die taktweise abwechselnd sensorische und aktuatorische Funktionen haben. Die Aktuatoren können auch seitlich an den Streben angeordnet sein, um diese zu Transversalschwingungen anzuregen.

Der Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine kompakt bauende Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Kraftfahrzeug zu schaffen mit verbesserten Schwingungsdämpfereigenschaften, welche in schwingungsbelastete Bauteile eines Kraftfahrzeugs eingliederbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.

Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, dass wenigstens drei Aktuatoren vorgesehen sind, die auf einem Teilkreis versetzt zueinander in einem hohlzylindrischen Gehäuse des Schwingungsdämpfer-Moduls angeordnet sind. Die Längserstreckung des bzw. der Aktuatoren ist parallel zur Längserstreckung des Gehäuses des Schwingungsdämpfer-Moduls ausgerichtet. Hierdurch können Biegeschwingungen besonders wirksam kompensiert werden. Da die Aktuatoren an der Innenseite des Gehäuses fixiert sind, ist der Abstand zur neutralen Faser des Gehäuses im Falle einer Biegung klein, so dass durch die Krafteinwirkung über die Aktuatoren eine Biegeschwingung unterdrückt werden kann. Stirnseitig ist das Gehäuse durch Verschlussteile verschlossen. Die Verschlussteile sind an beiden Endseiten des hohlzylindrischen Gehäuses in dieses eingeklebt oder mit dem Gehäuse verschweißt, wobei die Verschlussteile auch zur Kraftübertragung heran gezogen werden.

Diese Maßnahmen ermöglichen eine kompakte Bauweise eines Schwingungsdämpfer-Moduls. Das Schwingungsdämpfer-Modul kann gezielt in schwingungsbelastete Bauteile des Kraftfahrzeugs integriert werden, beispielsweise in das Hauptrohr des Instrumententafelträgers oder auch in eine Säule der Kraftfahrzeugkarosserie. Das Schwingungsdämpfer-Modul bildet einen integrierten Bestandteil der Kraftfahrzeugkomponente und kann so auch dort auftretende Biegeschwingungen sehr gut kompensieren.

Im Fahrbetrieb auftretende Schwingungen werden über Sensoren erfasst und über eine zur Vorrichtung gehörende Steuereinheit im Schwingungsdämpfer-Modul eine Kompensationsschwingung erzeugt, die auf die mit dem Schwingungsdämpfer-Modul gekoppelte Kraftfahrzeugkomponente übertragen wird. Die Kompensationsschwingung dämpft die Störschwingung und hebt diese auf oder verschiebt die Störschwingung in einen Frequenzbereich, der ohne nachteilige Einflüsse ist und nicht wahrgenommen wird.

Als Aktuatoren kommen vorzugsweise Piezoelemente in Form von piezokeramischen Stapelaktuatoren zum Einsatz. Auch die Anwendung von hydraulischen oder pneumatischen Kleinzylindern sowie elektrodynamischen Aktuatoren ist möglich. Auch die Kombination von Piezoelementen mit Kleinstzylindern, die zusammen als Aktuator wirken, ist praktikabel. Über die Aktuatoren wird eine Spannung in das Schwingungsdämpfer-Modul induziert, wodurch dieses zu Schwingungen angeregt wird. Störschwingungen, wie sie durch Anregungen vom Fahrwerk, Motor oder ähnlichem stammen, werden hierdurch überlagert und kompensiert.

Die Aktuatoren sind auf der Innenseite des Gehäuses angebracht und hier beispielsweise durch Kleben fixiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 aufgezeigt.

Wie bereits erwähnt, kommen als Aktuatoren bevorzugt Piezoelemente zur Anwendung. Bei Piezoelementen erfolgt eine Umsetzung von elektrischer Energie in mechanische Energie ohne bewegte Teile, wodurch eine sehr schnelle Reaktion sowie eine lange Lebensdauer der Bauteile gewährleistet ist. Das Prinzip der Piezoelemente beruht darauf, dass die darin eingebetteten Kristalle ihre Form unter dem Einfluss eines elektrischen Felds ändern. Dies ermöglicht eine aktive Anregung der Piezoelemente über eine externe Steuereinheit. Über die Piezoelemente werden Spannungen in das Gehäuse des Schwingungsdämpfer-Moduls induziert, wodurch die gewünschten Gegen- bzw. Kompensationsschwingungen erzeugt werden.

Die Aktuatoren sind im Gehäuse angeordnet und werden vorzugsweise über eine externe Spannungsquelle mit Energie versorgt. Die Versorgung der Aktuatoren mit elektrischer Energie wird über in das Gehäuse zu den Aktuatoren geführte Leitungen vorgenommen.

Am Gehäuse sind Anschlussflansche zur Kopplung des Schwingungsdämpfer-Moduls zwischen Kraftfahrzeugkomponenten vorgesehen. Diese sind bauteiltypisch auf den jeweiligen Einsatzort des Schwingungsdämpfer-Moduls ausgelegt. So kann das Schwingungsdämpfer-Modul in Kraftfahrzeugkomponenten, wie das Hauptrohr des Instrumententafelträgers oder anderer Karosseriekomponenten integriert werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 technisch vereinfacht eine Ansicht auf das Schwingungsdämpfer-Modul einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Kraftfahrzeug und
2 einen Schnitt durch die Darstellung gemäß der 1 entlang der Linie A-A.
Die 1 und 2 zeigen technisch vereinfacht ein Schwingungsdämpfer-Modul 1, welches zu einer Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Kraftfahrzeug gehört. Zur Vorrichtung gehört ferner eine, in 1 andeutungsweise dargestellte Steuereinheit 2, die mit Sensoren 3 verknüpft ist. Über die Sensoren 3 werden aus dem Fahrbetrieb in das Kraftfahrzeug eingeleitete Störschwingungen erfasst. In Abhängigkeit von den Störschwingungen werden Steuersignale generiert, welche Aktuatoren 4 des Schwingungsdämpfer-Moduls 1 aktivieren. Die Aktuatoren 4 sind in ein hohlzylindrisches Gehäuse 5 des Schwingungsdämpfer-Moduls 1 integriert. Durch ihre Aktivierung werden in das Schwingungsdämpfer-Modul 1 bzw. das Gehäuse 5 Spannungen induziert, so dass vom Schwingungsdämpfer-Modul 1 phasenverschobene Gegenschwingungen in das Kraftfahrzeug eingeleitet werden, welche die Störschwingungen überlagern und dabei dämpfend wirken.
Bei den Aktuatoren 4 handelt es sich um Piezoelemente, die fest auf der Innenseite 6 des Gehäuses 5 fixiert sind.
Man erkennt in der 1, dass drei Aktuatoren 4 vorgesehen sind, die auf einem Teilkreis TK versetzt zueinander im Gehäuse 5 angeordnet sind. Die Längserstreckung L_A der Aktuatoren 4 ist parallel zur Längserstreckung L_G des Gehäuses 5 ausgerichtet (2). Die beiden Stirnseiten 7 des Gehäuses 5 sind durch kraftübertragende Verschlussteile 8 verschlossen. Femer sind am Gehäuse 5 Anschlussflansche 9 zur Kopplung des Schwingungsdämpfer-Moduls 1 zwischen Kraftfahrzeugkomponenten vorgesehen.
Dergestalt kann das Schwingungsdämpfer-Modul 1 beispielsweise in das Hauptrohr 10 eines Instrumententafelträgers integriert werden. Das Schwingungsdämpfer-Modul 1 ist kleinbauend und sehr kompakt. Es ist fest mit den beiden Rohrteilen 10a und 10b des Hauptrohrs verbunden, beispielsweise eingeschweißt. Die im Schwingungsdämpfer-Modul 1 integrierten Aktuatoren 4 werden extern mit Spannung versorgt. Hierzu sind Versorgungsleitungen 11 über Öffnungen 12 im Gehäuse 5 des Schwingungsdämpfer-Moduls 1 in das Innere zu den Aktuatoren 4 geführt.
Im Fahrbetrieb messen die Sensoren auftretende Schwingungen. Die erfassten Daten werden in der Steuereinheit 2 ausgewertet. Hierauf aufbauend werden entsprechende Signale an die Aktuatoren 4 geleitet und dieses aktiviert. Durch Änderung ihrer Form oder ihres Volumens bzw. durch Gewichtsverlagerung innerhalb der Aktuatoren 4 werden in das Gehäuse 5 Spannungen induziert, die das Schwingungsdämpfer-Modul 1 zu richtungsgesteuerten Kompensationsschwingungen anregt, so dass die aus dem Fahrbetrieb eingeleiteten Störschwingungen überlagert und kompensiert werden. Kommen Piezoelemente als Aktuatoren 4 zum Einsatz, wird durch Steuerung der elektrischen Spannung deren Form bzw. Dicke verändert, so dass eine gezielte Schwingungssteuerung erfolgen kann.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Befestigung der Aktuatoren auf der Innenseite 6 des Gehäuses 5 des Schwingungsdämpfer-Moduls 1 aus. Hieraus resultiert ein kurzer Abstand s zu der in der Gehäusewand 13 liegenden neutralen Faser NF. Biegeschwingungen in der Kraftfahrzeugkomponente, also beispielsweise dem Hauptrohr 10 des Instrumententafelträgers, können wirksam und besonders effektiv unterdrückt werden, da eine Krafteinleitung über die Aktuatoren 5 nahe an der neutralen Faser vorgenommen werden kann. Auch kann die Kraftfahrzeugkomponente durch die Kraftwirkung der Aktuatoren 4 und die aufgebrachte mechanische Spannung versteift werden.
Über das in eine Kraftfahrzeugkomponente integrierte Schwingungsdämpfer-Modul 1 kann eine wirksame Dämpfung von unerwünschten Schwingungen gezielt in dem schwingungsbelasteten Bauteil vorgenommen werden. Auf diese Weise ist eine wirksame Dämpfung von unerwünschten Schwingungen möglich. Diese werden aufgehoben oder in einen Frequenzbereich verschoben, der ohne nachteilige Einflüsse ist und im Fahrbetrieb nicht wahrgenommen wird.

1: Schwingungsdämpfer-Modul
2: Steuereinheit
3: Sensor
4: Aktuator
5: Gehäuse v. 1
6: Innenseite v. 5
7: Stirnseite v. 5
8: Verschlussteil
9: Anschlussflansch
10: Hauptrohr
10a: Rohrteil
10b: Rohrteil
11: Versorgungsleitung
12: Öffnung
13: Gehäusewand
L_A: Längserstreckung v. 4
L_G: Längserstreckung v. 5
TK: Teilkreis
s: Abstand
NF: neutrale Faser

Claims

Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Kraftfahrzeug mit einer Steuereinheit, die Störschwingungen erfasst und darauf aufbauend Steuersignale an Aktuatoren zur Beaufschlagung eines im Fahrzeug angeordneten Schwingungsdämpfer-Moduls abgibt, um über das Schwingungsdämpfer-Modul die Störschwingungen dämpfende Gegenschwingungen in das Kraftfahrzeug einzuleiten, wobei die Aktuatoren in ein hohlzylindrisches Gehäuse des Schwingungsdämpfer-Moduls integriert und auf der Innenseite des Gehäuses fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Aktuatoren (4) vorgesehen sind, die auf einem Teilkreis (TK) versetzt zueinander im Gehäuse (5) angeordnet sind, wobei die Längserstreckung (L_A) der Aktuatoren (4) parallel zur Längserstreckung (L_G) des Gehäuses (5) ausgerichtet ist, und das Gehäuse (5) stirnseitig durch kraftübertragende Verschlussteile (8) verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (4) ein Piezoelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (5) Anschlussflansche (9) zur Koppelung des Schwingungsdämpfer-Moduls (1) zwischen Kraftfahrzeugkomponenten vorgesehen sind.