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Die
Erfindung betrifft ein Schwingungsdämpfungssystem einer
Lenkanordnung.
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Aus
dem Stand der Technik ist der Einsatz von schwingungsdämpfenden
Elementen bekannt, die in den Lenkstrang integriert werden, um die Übertragung
von Vibrationen, die durch Fahrbahnunebenheiten entstehen oder von
dem Motor stammen, zum Lenkrand hin zu verringern. Diese Vibrationen,
verursacht durch den Motor oder durch die Fahrbahnunebenheiten,
werden über das Lenkgetriebe und den Lenkstrang bis ins
Lenkrad übertragen, und dort vom Fahrer als störendes
Zittern des Lenkrads wahrgenommen.
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Bei
den herkömmlich verwendeten schwingungsdämpfenden
Elementen kann es sich um Gelenkscheiben oder Tube-inTube-Dämpfer
handeln. Diese dämpfen jedoch die Schwingungen lediglich
in ihrer Intensität, ohne sie ganz unterdrücken
zu können, und sind nur unter hohem Kosten- und Montageaufwand
in den Lenkstrang integrierbar. So muss beispielsweise der Lenkstrang
zur Anordnung einer schwingungsdämpfenden Gelenkscheibe
unterbrochen werden.
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Des
Weiteren ist im Stand der Technik der Einsatz von Piezoelementen
zur Schwingungsdämpfung bekannt, beispielsweise aus der
DE 102 26 477 A1 ,
in der ein piezokeramischer Aktuator beschrieben ist, der auf einer
Lenksäule in einem Bereich zwischen dem Lenkrad und dem
nächstliegenden Haltemittel der Lenksäule angeordnet
ist. Dieser piezoelektrische Aktuator soll eine deutliche Schwingungsreduzierung
für die Anordnung Lenksäule/Lenkrad in einem weiten
Frequenzband bereitstellen, indem zusätzlich ein Sensor
zur Erfassung von Vibrationen oberhalb des piezokeramischen Aktuators
an der Struktur der Anordnung Lenksäule/Lenkrad angeordnet
ist.
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In
der
DE 10 2004
002 519 B3 ist zur Verbesserung der Schwingungsdämpfung
und der Reduktion der Anzahl der benötigten Piezoelemente
ist ein Instrumententräger für ein Kraftfahrzeug
beschrieben, der ein Tragprofil aufweist, dem eine aktive Anordnung
zur Schwingungsdämpfung zugeordnet ist. Dazu weist die
Anordnung im Anbindungsbereich von Lenksäule und Tragprofil
mehrere Piezoelemente auf, die in Bezug auf die Längsachse
des Tragprofils schräg angeordnet sind, wobei wenigstens
zwei Piezoelemente zueinander gegensätzlich geneigt sind.
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Für
eine verbesserte Schwingungsdämpfung, insbesondere im Instrumententafelbereich,
ist in der
DE
10 2004 003 175 B3 eine Lenksäule mit einem oberen
und einem unteren Lenksäulenabschnitt offenbart, die durch
einen Dämpfungskörper gekoppelt sind, der mehrere
Piezoelemente umfasst.
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Aus
der
DE 10 2004
033 230 A1 ist eine Lenksäule bekannt, die ein
aktives System zur Schwingungsdämpfung mit Piezoelementen
aufweist, die an einem Lenksäulenabschnitt angeordnet sind
und als Sensor und Aktuator arbeiten. Die Piezoelemente werden sequenziell
taktgesteuert einmal als Sensor und im nächsten Takt als
Aktuator eingesetzt und sind im Inneren des als Hohlprofil ausgeführten
Lenksäulenabschnitts angeordnet.
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Ferner
ist aus der
DE
10 2008 007 162 A1 ein Lenkrad bekannt, das mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung
ausgestattet ist, die wenigstens ein Piezoelement umfasst, durch
welches die mechanische Energie der Schwingung in elektrische Energie
umwandelbar ist. Mit diesem schwingungsgedämpften Lenkrad
soll ein einfaches und kostengünstig herzustellendes Lenkrad
geschaffen werden.
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Schließlich
bezieht sich die
DE
10 2004 001 098 A1 auf ein Verfahren zum Reduzieren von
Vibrationen in einer Armaturenbrett-Struktur, wobei eine oder mehrere
piezoelektrische Aktuator- und Sensoreinrichtungen verwendet werden,
die zwischen unterschiedlichen Strukturen in der Armaturenbrett-Struktur
angeordnet sind. Die Sensorkomponente erfasst die Vibrationen zwischen
den Strukturen, während die Aktuatorkomponente einen umgekehrten
Sinuspuls generiert, der die Vibrationen dämpft. Damit
sollen Vibrationen in der Lenksäule und im Armaturenbrett
auf kosteneffektive und -effiziente Weise gedämpft werden,
ohne die Gesamtmassen wesentlich zu erhöhen oder die Komponenten der
Armaturenbrett-Struktur komplexer zu gestalten.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, ein
Schwingungsdämpfungssystem einer Lenkanordnung bereitzustellen,
die eine einfachere und kostengünstigere Gestaltung der Lenkstrangbauteile
ermöglicht, das bauraumunabhängig verbaut werden
kann, und möglichst wenig Bauraum erfordert.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Schwingungsdämpfungssystem mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine
erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Schwingungsdämpfungssystems, das zur Schwingungsdämpfung
einer Lenkanordnung an derselben angeordnet ist, weist eine Sensoreinheit, mit
der Schwingungen der Lenkanordnung erfasst werden können,
und eine Aktuatoreinheit auf, die zur Erzeugung einer Kompensationsschwingung
dient. Die erzeugte Kompensationsschwingung ist dabei in ihrer Phase
derart zur erfassten Schwingung verschoben, dass sich die Schwingung
und die Kompensationsschwingung in destruktiver Interferenz überlagern,
so dass die durch Motor oder Fahrbahnunebenheiten verursachten Vibrationen
an der Lenkanordnung deutlich reduziert, gegebenenfalls sogar eliminiert
werden.
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Erfindungsgemäß werden
hier die Sensoreinheit und die Aktuatoreinheit jeweils durch ein
einziges piezoelektrisches Flächenelement bereitgestellt,
das prinzipiell auf jedem Bauteil der Lenkanordnung angeordnet werden
kann. Durch die Platzierungswahl der piezoelektrischen Flächenelemente kann
die Qualität der Schwingungstilgung, beziehungsweise -dämpfung
beeinflusst werden.
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Das
erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungssystem
bildet vorteilhaft durch die Anordnung der beiden piezoelektrischen
Flächenelemente als Sensor- und Aktuatoreinheit, die über
eine Regeleinrichtung miteinander gekoppelt sind, einen autonomen
Regelkreis, der mit einer selbstregulierenden Übertragungsfunktion
zur Minimierung, beziehungsweise Eliminierung, der Schwingung der
Lenkanordnung, ausgestattet ist. Dazu steuert die Regeleinrichtung
in Abhängigkeit der Schwingung der Lenkanordnung, die von
dem als Sensoreinheit fungierenden piezoelektrischen Flächenelement
erfasst wurde, das als Aktuatoreinheit dienende zweite piezoelektrische Flächenelement
an, so dass dieses die Kompensationsschwingung erzeugt, die sich
destruktiv mit der Schwingung der Lenkanordnung überlagert
und damit diese Schwingung reduziert oder sogar eliminiert. Hierzu
können in vorteilhafter Weise die beiden piezoelektrischen
Flächenelemente gemeinsam innerhalb eines bzw. an einem
Abschnitt der Lenkanordnung angeordnet werden, jedoch an voneinander
abgewandten Seiten dieses Abschnitts.
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Die
Verwendung von lediglich zwei piezoelektrischen Flächenelementen
ermöglicht ein einfaches und kostengünstiges Schwingungsdämpfungssystem
für eine beliebige Lenkanordnung, das kaum Bauraum erfordert,
und das keine Änderung an den Lenkstrangbauteilen, wie
beispielsweise im Stand der Technik beim Einsatz von Gelenkscheiben
o der zwei Rohrdämpfern nötig ist. Dadurch, dass
der Lenkstrang nicht durch Schwingungsdämpfer unterbrochen
wird, kann dem Fahrer auch ein direkteres Lenkgefühl vermittelt
werden, so dass vorteilhaft die haptische Rückmeldung der
Lenkung an den Fahrer verbessert wird, während gleichzeitig
die vorhandenen Schwingungen, die durch Motor oder Fahrbahn entstehen,
durch das Schwingungsdämpfungssystem auf ein für
den Fahrer akzeptables Maß reduziert oder gar eliminiert
werden. Durch den selbstregulierenden Regelkreis erfolgt die Schwingungsdämpfung unabhängig
von der Vibrationsfrequenz, so dass das erfindungsgemäße
Schwingungsdämpfungssystem breiten Einsatz in verschiedenen
Baureihen finden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform können die
piezoelektrischen Flächenelemente an einem Lenkgetriebe
oder einer Lenksäule der Lenkanordnung angeordnet werden,
insbesondere können die beiden piezoelektrischen Flächenelemente
entgegengesetzt radial an einem Umfang einer Welle des Lenkgetriebes
oder einer Lenkspindel der Lenksäule angeordnet werden.
Dadurch können die Vibrationen unmittelbar abgegriffen
und durch den geschlossenen Regelkreis sofort die Genese der Kompensationsschwingung
bewirken.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann ein piezoelektrisches
Flächenelement, oder beide, eine Elektronikvorrichtung
aufweisen, die zur Steuerung des Schwingungsdämpfungssystems
herangezogen werden, und somit die Regeleinrichtung teilweise oder
ganz bilden kann, so dass ein separates elektronisches Bauteil für
die Regeleinrichtung eventuell entfallen kann. Das passive System,
bestehend aus den zwei piezoelektrischen Flächenelementen,
kann ohne zusätzliche Spannungsversorgung auskommen, in
der Elektronikvorrichtung, beziehungsweise der Regeleinrichtung,
kann das Regelverhalten, beziehungsweise die Übertragungsfunktion,
auf den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden, abhängig
von dem Ort und der Orientierung der Platzierung der piezoelektrischen
Flächenelemente sowie in Abhängigkeit der entsprechenden
Baureihen, die sich hinsichtlich Lenkanordnung, sowie Schwingungseigenschaften
unterscheiden können.
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Schließlich
kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, die piezoelektrischen
Flächenelemente folienartig als biegsame Kunststofffolienelemente
auszubilden, die bei einer Applikation an die Lenkanordnung an nahezu
beliebige Konturen anpassbar sind, so dass zur Integration des erfindungsgemäßen
Schwingungsdämpfungssystems der Lenkungsstrang nicht umkonstruiert
werden muss. Das Schwingungsdämpfungssystem kann somit
auch an Stellen der Lenkanordnung angebracht werden, an denen die
Anbringung anderer Piezoelemente aufgrund komplexer Anbringungsflächen
scheitert.
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Die
einfache und konturgetreue Anbringung der Piezoflächenelemente
kann dabei durch Kleben erfolgen. Solche biegsamen piezoelektrischen
Flächenelemente sind im Stand der Technik bekannt und umfassen
eine Schicht aus piezoelektrischem Material, das entweder eine Piezokeramik,
eine aufgedampfte Halbleiterdünnschicht oder ein Polyvinylidenfluorid
sein kann.
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Diese
und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung
unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der
Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung
der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des
Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen,
die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
Schnittansicht einer Gelenkscheibe zur Schwingungsdämpfung
in einem Lenkstrang aus dem Stand der Technik,
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2 eine
perspektivische Ansicht auf einen Teil des Lenkstrangs, der erfindungsgemäß mit
einem piezoelektrischen Flächenelement ausgestattet ist,
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3 schematisch
eine perspektivische Ansicht auf eine Lenkanordnung, an der erfindungsgemäß die
beiden Piezo-Flächenelemente angeordnet sind,
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4 ein
einfaches Regelkreisschaltbild des erfindungsgemäßen
Schwingungsdämpfungssystems.
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Das
erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungssystem
bezieht sich auf ein System zur Dämpfung, beziehungsweise
Eliminierung von Schwingungen einer Lenkanordnung, die ein Lenkrad,
zu dem keine Schwingungen übertragen werden sollen, eine (obere
und untere) Lenksäule und ein Lenkgetriebe umfasst, zwischen
denen sich Gelenkanordnungen, beispielsweise Kardangelenke, befinden
können. Der Drehmoment übertragende innere Strang
der Lenksäule wird dabei durch die Lenkspindel gebildet.
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Vor
allem die Vibrationen des Motors werden auf den Lenkungsstrang übertragen,
wodurch an dem Lenkrad Schwingungen in Form eines Zitterns auftreten.
Fahrbahnunebenheiten verstärken diesen Effekt. Um diese
Lenkradschwingungen unter die Wahrnehmbarkeitsgrenze eines Fahrers
zu drücken, und damit den Fahrkomfort zu verbessern, wird nun das
erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungssystem
aus zwei Piezo-Flächenelementen eingesetzt.
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Bei
diesen Flächenelementen kann es sich beispielsweise um
einen Flächenwandler handeln, in dem eine piezokeramische
Platte zwischen Polymerschichten integriert ist. Solche Flächenwandler
können sehr dünn ausgeführt werden, so
dass sie eine Biegsamkeit aufweisen, die die Applikation unter Konturenanpassung
erlaubt. Sie sind geeignet zur Verwendung im Regelkreis als Aktuator-
und Sensoreinheiten, und können, falls dies gewünscht
ist, auch mit mehreren Piezokeramikschichten ausgeführt sein.
Piezoelektrische Keramiken werden vorzugsweise aus synthetischen
anorganischen, ferroelektrischen und polykristallinen Keramikwerkstoffen
hergestellt. Beispiele dafür sind modifizierte Blei-Zirkonat-Titanate
zur Anwendung im Hochvoltbereich und Blei-Magnesium-Niobate zur
Anwendung im Niedervoltbereich. Alternativ dazu können
auch Folien basierend auf piezoelektrischen Dünnschichten
eingesetzt werden, wobei diese auf einer Siliziumschicht abgeschieden
werden. Zur Bildung der piezoelektrischen Dünnschichten
werden meist Zinkoxid oder Aluminiumnitrid eingesetzt.
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Ferner
existiert mit dem Kunststoff-Polyvinylidenfluorid die Möglichkeit,
eine piezoelektrische Folie zu schaffen, da sich Polyvinylidenfluorid
polarisieren lässt und dadurch piezoelektrisch wird. Solche Folien
lassen sich auch auf gekrümmte Oberflächen aufbringen,
und können daran verklebt werden.
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So
kann nun erfindungsgemäß vermieden werden, einen
komplizierten Aufbau zur Schwingungsdämpfung, wie in 1 als
Stand der Technik gezeigt, zu verwenden. Dort stellt eine Gelenkscheibe 7 eine
Schwingungsdämpfung des Lenkstrangs bereit, wobei allerdings
der Lenkstrang unterbrochen wird und nunmehr die zwei Abschnitte 2, 12 bildet. Vorliegend
ist die Anordnung der Gelenkscheibe 7 in direkter Nachbarschaft
zu dem Gelenk 6 gezeigt.
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Wird
nun das erfindungsgemäße Schwingungsdämpfersystem
eingesetzt, so kann die Gelenkscheibe 7 entfallen, und
mit ihr auch die Zentrierung mittels Führungsbuchse 9, 10,
sowie die Nietverbindung 8 der Gelenkscheibe 7 mit
dem Lenkstrangabschnitt 12. Die Unterbrechung des Lenkstrangs
in zwei Abschnitte 2, 12 ist dann nicht mehr nötig,
und die Lenkspindel 2 kann, wie in 2 dargestellt,
als ein Bauteil einfach dargestellt werden.
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In 2,
in der sich die Lenkspindel 2 ebenfalls von einem Gelenk 6 erstreckt,
ist ein erstes Piezo-Flächenelement 1 zu sehen,
das zweite Piezo-Flächenelement der Erfindung befindet
sich, in dieser Darstellung nicht sichtbar, an der abgewandt liegenden
Seite der Spindel 2. Die beiden Piezo-Flächenelemente,
die über eine Regeleinrichtung gekoppelt das erfindungsgemäße
Schwingungsdämpfersystem für die Lenkanordnung
darstellen, können generell am Umfang verteilt, vorteilhaft
radial voneinander angewandt an der Lenkspindel angeordnet sein,
wobei deren Orientierung nicht zwangsläufig wie in 2 dargestellt,
entsprechend der Längsachse der Lenkspindel 2 ausgerichtet
sein muss, sie kann einen Winkel dazu bilden.
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3 zeigt
nun schematisch eine Lenkanordnung 5, in der das Lenkgetriebe 3 über
ein Gelenkelement 6 mit einem unteren Lenksäulenabschnitt 2 verbunden
ist, der über ein weiteres Gelenkelement das Drehmoment
der Lenkbewegung am Lenkrad 4 von dem oberen Lenkspindelabschnitt 2' übertragen
wird. Hier ist die Anordnung der beiden piezoelektrischen Flächenelemente 1, 1' an
dem unteren Lenkspindelabschnitt 2 dargestellt, generell
ist deren Anordnung aber auch am Lenkgetriebe 3 oder am
oberen Lenkspindelabschnitt 2' denkbar.
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In 4 ist
ein Regelkreis skizziert, in dem die beiden piezoelektrischen Flächenelemente,
der Piezosensor und der Piezo-Aktuator miteinander verbunden sind.
Durch die Regeleinrichtung, die gegebenenfalls durch eine auf zumindest
einer der piezoelektrischen Flächenelementen vorhandenen
Elektronik gebildet sein kann, findet ein kontinuierlicher Soll-Ist-Vergleich
statt, indem eine durch den Piezosensor erfasste Schwingung der
Lenkanordnung mit dem Soll-Wert verglichen wird, der vorliegend
0 sein soll. Eine Übertragungsfunktion berechnet aus dieser Schwingung
der Lenkanordnung, die die Regelgröße x darstellt,
eine Steuergröße u, mit der der Piezo-Aktuator
angesteuert wird, um die Stellgröße y, die Kompensationsschwingung,
zu generieren, die mit der erfassten Schwingung der Lenkanordnung
in destruktiver Interferenz überlagern soll, so dass die
beispielsweise durch Motorvibration hervorgerufene Schwingung der
Lenkanordnung dem Soll-Wert nachgeführt wird, so dass die
resultierende Restschwingung der Lenkanordnung minimiert oder günstigenfalls
sogar eliminiert wird.
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Vorteilhaft
kann der durch die Schwingung der Lenkanordnung hervorgerufene Stromfluss
im Piezosensor eine externe Spannungsversorgung überflüssig
machen, indem dadurch die Steuergröße für den
Piezo-Aktuator generiert wird.
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Bezüglich
des Einsatzes von piezoelektrischen Flächenelementen zur
Schwingungstilgung im Lenkstrang ist auch der Einsatz eines einzigen
piezoelektrischen Flächenelements in einem aktiven System
denkbar, wobei das einzelne Flächenelement extern aktiv
angesteuert wird. Eine solche externe Steuerung eines einzigen piezoelektrischen
Flächenelements, welches als Aktuatoreinheit die Kompensationsschwingung
erzeugen soll, kann dann nach einer empirisch ermittelten Kennlinie
oder einem Schwingungsbild arbeiten. Auch hier kann auf dem piezoelektrischen
Flächenelement selbst ein Teil der erforderlichen Elektronik
angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10226477
A1 [0004]
- - DE 102004002519 B3 [0005]
- - DE 102004003175 B3 [0006]
- - DE 102004033230 A1 [0007]
- - DE 102008007162 A1 [0008]
- - DE 102004001098 A1 [0009]