DE102008050084B3

DE102008050084B3 - Verfahren zur Schwingungsdämpfung und Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102008050084B3
Application number: DE200810050084
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. Zuber
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-10-07

Abstract

Verfahren zur Kompensierung von hochfrequenten Schwingungen bei einem Schwingungsdämpfer (1), bei welchem ein Trennkolben (3) eines fluidgefüllten Teleskopschwingungsdämpfers auf seiner Oberseite einen oberen piezoelektrischen Aktor (6) und auf seiner Unterseite einen piezoelektrischen Aktor (7) aufweist. Der obere Aktor (6) steht mit dem unteren Aktor (7) in elektrischem Wirkzusammenhang. Der obere Aktor verformt sich unter dem Einfluss einer vom unteren Aktor (7) ausgehenden elektrischen Spannung entgegengesetzt zum unteren Aktor (7). Der untere piezoelektrische Aktor (7) dient als Sensor für die Ansteuerung des oberen Aktors (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensierung von hochfrequenten Anregungen bei einem Teleskopschwingungsdämpfer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einen entsprechenden Schwingungsdämpfer.
Die DE 103 16 950 A1 beschreibt einen gattungsmäßigen Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge. Hierbei wirkt ein ein Piezoelement enthaltender Aktuator auf ein druckabhängiges Dämpfungsventil des Kolbens und beeinflusst so die Dämpfungswirkung des Ventils. Dabei ist der das Dämpfungsventil beaufschlagende Aktuator ringförmig um die Kolbenstange des Schwingungsdämpfers angeordnet. Hierbei wird der Kolben mit dem Aktuator an der Kolbenstange verspannt.
Die DE 41 93 093 C2 beschreibt ebenfalls einen Schwingungsdämpfer zum Dämpfen der Bewegung eines Fahrzeugaufbaus, der eine Arbeitskammer mit zwei Abteilungen bildende Zylinder aufweist, weil im Zylinder ein auf einer Kolbenstange angeordneter Kolben vorgesehen ist, der mit mehreren Kanälen zur Verbindung der beiden Abteilungen der Arbeitskammer versehen ist. Hierbei ist ein piezoelektrisches Element jeweils direkt und fest mit der dem Kolben abgekehrten Fläche der Ventilscheibe verbunden und übt in Abhängigkeit eines elektrischen Signals eine Biegekraft auf die Ventilscheibe aus, worüber der Übertritt von Dämpferflüssigkeit durch die Kanäle gesteuert wird.
Die DE 39 17 716 A1 beschreibt ebenfalls einen Stoßdämpfer für ein Kraftfahrzeug, dessen Zylinder durch einen Kolben in zwei mit einem Druckmedium gefüllte Arbeitskammern unterteilt wird, wobei zwischen den beiden Arbeitskammern ein Stellglied angeordnet ist und wobei das Stellglied von einer Steuereinrichtung, welche mit einer Stoßdämpferkühleinrichtung verbunden ist, angesteuert wird.
Ein Schwingungsdämpfer dient bei Kraftfahrzeugen dazu, die Schwingungen der ungefederten Massen zu unterdrücken bzw. schnell abklingen zu lassen. In der Regel werden durch den an einer Kolbenstange in einem ölbefüllten Zylinder geführten Kolben niederfrequente Anregungen von der Fahrbahn gedämpft. Bei höherfrequenten Schwingungen folgt eine Dämpfung durch die Anbindung des Schwingungsdämpfers im Rahmen des so genannten ”Top Mount”. Hierbei handelt es sich um ein Gummi-Metall-Lager, das die entsprechenden höherfrequenten Schwingungen filtert. Ab einem bestimmten Frequenzbereich, insbesondere bei Frequenzen von über 100 Hz, sind die Schwingungen von Fahrzeuginsassen kaum oder auch gar nicht mehr spürbar.
Jedoch äußern diese sich für Schwingungsdämpfer hochfrequenten Schwingungen in Form von Geräuschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Geräuschkompensation und Filterung von hochfrequenten Schwingungen bei Schwingungsdämpfern sowie einen Schwingungsdämpfer mit diesen Eigenschaften aufzuzeigen.
Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 löst diese Aufgabe dadurch, dass bei einem fluidgefüllten Teleskopschwingungsdämpfer auf einer Oberseite und einer Unterseite jeweils ein piezoelektrischer Aktor angeordnet ist. Der untere Aktor steht in elektrischem Wirkzusammenhang mit dem oberen Aktor. Der untere Aktor dient gewissermaßen als Sensor, der unter dem Einfluss einer Kraft eine elektrische Spannung erzeugt, die ein Eingangssignal für den oberen Aktor bildet. Der obere Aktor verformt sich auf Basis der angelegten Spannung nach dem piezoelektrischen Prinzip und führt eine gegensätzliche Bewegung zum unteren Aktor aus. Diese Verformung unter Bewegung des oberen Aktors wird auf das Fluid, insbesondere auf das Öl, oberhalb des Trennkolbens übertragen. Die Kopplung zwischen unterem und oberem Aktor bewirkt somit, dass eine gegenläufige mechanische Bewegung und damit Dämpfung oder Kompensation der auf den unteren Aktor einwirkenden, zeitveränderlichen mechanischen Kraft erfolgt.
Bei der Erfindung wird der direkte Piezoeffekt, bei welchem durch mechanischen Druck eine elektrische Spannung entsteht, mit dem inversen Piezoeffekt kombiniert, durch welchen eine Verformung bei Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugt wird. Der Vorteil der Erfindung ist, dass mit diesem Verfahren auch sehr hochfrequente Schwingungen bei kleinen Amplituden gefiltert, d. h. insbesondere gedämpft und kompensiert, werden können. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Geräuschkompensation aus. Zudem ist das Funktionsprinzip gerade bei direkter Kopplung der oberen und unteren Aktoren ohne zusätzliche Stromversorgung sehr robust, einfach im Aufbau, leicht und wartungsfrei.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Verformung des oberen Aktors durch die vom unteren Aktor ausgehende elektrische Spannung erzeugt wird. Zusätzlich kann jedoch eine Steuerungseinheit vorgesehen sein, mittels welcher die Verformungen des oberen Aktors in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung des unteren Aktors gesteuert werden. Das heißt nicht, dass die Spannung des unteren Aktors unmittelbar am oberen Aktor anliegt, sondern dass die Spannung des unteren Aktors lediglich eine Eingangsgröße für eine dem oberen Aktor zuführbare elektrische Spannung bildet. Hierzu kann eine zusätzliche Spannungsquelle vorgesehen sein. Die Steuerungseinheit steuert dabei die Spannungszufuhr zum oberen Aktor.
Entscheidend hierbei ist, dass der obere Aktor eine gegensätzliche Bewegung zum unteren Aktor ausführt, um die Schwingungsfilterung bzw. die Dämpfung oder Kompensation durchführen zu können. Bei den piezoelektrischen Aktoren kann es sich zur Vergrößerung des Piezoeffekts um so genannte Piezostacks handeln, d. h. um gestapelte Anordnungen, um einerseits die elektrische Spannung, die am unteren Aktor entsteht, zu vergrößern, andererseits aber auch, um die Amplitude bei der Verformung des oberen Aktors zu vergrößern. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, mehrere obere und mehrere untere Aktoren vorzusehen. Insbesondere ist es denkbar, in Zusammenarbeit mit einer Steuerungseinheit mehrere obere Aktoren vorzusehen, wobei die Steuerungseinheit direkt die elektrische Spannung bzw. die Leistung des unteren Aktors verstärkt und auf mehrere obere Aktoren verteilt.
Ein Schwingungsdämpfer, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, ist Gegenstand des Patentanspruchs 5.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 im Längsschnitt eine stark vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Schwingungsdämpfers und
2 im Längsschnitt eine stark vereinfachte Ausführungsform eines zweiten, erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers.
1 zeigt einen Schwingungsdämpfer 1 in Einrohr-Bauweise. Der Schwingungsdämpfer 1 entspricht der Bauform eines Teleskopschwingungsdämpfers und wandelt Schwingungsenergie der Aufbau- und Radschwingungen in Wärme um. Der Schwingungsdämpfer ist in nicht näher dargestellter Weise am Aufbau eines Kraftfahrzeugs und an einer Achse mit elastischen Lagern zur Geräuschisolation befestigt.
Der Schwingungsdämpfer 1 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 2 mit einem translatorisch verlagerbaren Trennkolben 3. Das Gehäuse 2 ist größtenteils mit Öl 4 gefüllt, das sich beiderseits des Trennkolbens 3 befindet. Oberhalb des Öls befindet sich ein Druckpolster aus Gas 5.
Entscheidend bei dem erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer ist, dass auf einer Oberseite des Trennkolbens 3 ein oberer piezoelektrischer Aktor angeordnet ist und dass auf einer Unterseite des Trennkolbens 3 ein unterer piezoelektrischer Aktor 7 angeordnet ist. Der untere Aktor 7 dient gewissermaßen als Sensor für den oberen Aktor 6. Hierzu sind die Aktoren 6, 7 unter Zwischenschaltung einer Steuereinheit 8 miteinander gekoppelt. Die Steuereinheit 8 empfängt eine durch Schwingungen, d. h. durch mechanische Krafteinwirkung, am unteren Aktor 7 entstehende elektrische Spannung als Eingangssignal und leitet diese an den oberen Aktor 6 weiter, der somit in elektrischem Wirkzusammenhang mit dem unteren Aktor 7 steht und eine gegensätzliche Schwingung zum unteren Aktor 7 erzeugt. Dadurch können bei geringen Amplituden bis 0,1 mm in Z-Richtung in einem Frequenzbereich von 100 bis 1.000 Hz gefiltert, d. h. gedämpft oder sogar kompensiert, werden.
Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von demjenigen der 1 dadurch, dass die Steuereinheit 8 eine externe Spannungsquelle 9 bildet, welche eine elektrische Spannung für den oberen Aktor 6 liefert. Die Eingangsgröße für die am oberen Aktor 6 anliegende elektrische Spannung ist wiederum die elektrische Spannung, die vom unteren Aktor 7 erzeugt wird.

1: Schwingungsdämpfer
2: Gehäuse
3: Trennkolben
4: Öl
5: Gas
6: oberer Aktor
7: unterer Aktor
8: Steuereinheit
9: Spannungsquelle

Claims

Verfahren zur Kompensierung von hochfrequenten Anregungen eines Schwingungsdämpfers (1), bei welchem ein Trennkolben (3) des fluidgefüllten Schwingungsdämpfers (1) auf seiner Oberseite einen oberen piezoelektrischen Aktor (6) und auf seiner Unterseite einen unteren piezoelektrischen Aktor (7) aufweist, wobei der obere Aktor (6) mit dem unteren Aktor (7) in elektrischem Wirkzusammenhang steht, wobei eine durch Krafteinwirkung im unteren Aktor (7) entstehende elektrische Spannung eine Eingangsgröße für eine dem oberen Aktor (6) zuführbare elektrische Spannung bildet und wobei sich der obere Aktor (6) entgegengesetzt zum unteren Aktor (7) verformt, wenn auf den unteren Aktor (7) eine mechanische Kraft einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des oberen Aktors (6) durch die vom unteren Aktor (7) ausgehende elektrische Spannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit (8) vorgesehen ist, mittels welcher die Verformungen des oberen Aktors (6) in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung des unteren Aktors (7) gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Aktor (6) eine zeitlich veränderte Kraft auf den unteren Aktor (7) durch gegensätzlich Bewegung dämpft oder kompensiert.
Schwingungsdämpfer für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Trennkolben (3) eines fluidgefüllten Schwingungsdämpfers (1) in Teleskopbauweise auf seiner Oberseite einen oberen piezoelektrischen Aktor (6) und auf seiner Unterseite einen unteren piezoelektrischen Aktor (7) aufweist, wobei der obere Aktor (6) mit dem unteren Aktor (7) in elektrischem Wirkzusammenhang steht, wobei eine durch Krafteinwirkung im unteren Aktor (7) entstehende elektrische Spannung eine Eingangsgröße für eine dem oberen Aktor (6) zuführbare elektrische Spannung bildet.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im unteren Aktor (7) erzeugbare elektrische Spannung über eine elektrische Leitung unmittelbar am oberen Aktor (6) anliegt.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit (8) vorgesehen ist, mittels welcher Verformungen des oberen Aktors (6) in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung des unteren Aktors (7) steuerbar sind.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Spannungsquelle (9) vorgesehen ist, welche eine elektrische Spannung für den oberen Aktor (6) liefert.