DE10246837A1

DE10246837A1 - Schwingungsdämpfer zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrischer Energie

Info

Publication number: DE10246837A1
Application number: DE10246837A
Authority: DE
Original assignee: CONSENS GmbH
Current assignee: CONSENS GmbH
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungsdämpfer anzugeben, der bei geringer Bauhöhe eine effektive Wandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie ermöglicht. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die mechanische Schwingungsenergie eines Schwingungselementes mit einem piezoelektrischen Aktor in elektrische Energie umgewandelt und diese zur Energierückgewinnung verwendet wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer, bei dem aus der mechanischen Schwingungsenergie von Stoßdämpfern elektrische Energie erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer, bei dem aus der mechanischen Schwingungsenergie von Stoßdämpfern elektrische Energie erzeugt wird.
Bei fast allen Bewegungsabläufen entstehen in Abhängigkeit von den Eigenfrequenzen mechanische Schwingungen. Diese sind häufig unerwünscht und müssen durch konstruktive und technische Maßnahmen in ihrer Wirkung begrenzt und kompensiert werden. Neben den konstruktiven Maßnahmen, die das Entstehen von Schwingungen vermeiden sollen, werden Schwingungsdämpfer unterschiedlichster Bauformen verwendet.

Die am häufigsten angewendeten Schwingungsdämpfer sind passive Elemente, welche durch Kontraktion bestimmter Materialien die Schwingungsenergie in Wärme umwandeln. In DE 25 20 327 C2 ist ein derartiger Schwingungsdämpfer beschrieben. Derartige Anordnungen sind zwar sehr robust und können relativ einfach hergestellt werden. Durch die begrenzte Festigkeit der verwendeten Materialien ist ihre Anwendbarkeit und Lebensdauer aber begrenzt.

Darüber sind fluidische Schwingungsdämpfer bekannt, die bevorzugt in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden und dort als Stoßdämpfer bezeichnet werden. Diese Ausführungen nutzen die Wärmeabgabe von komprimierten Fluiden in Strömungskanälen zum Abbau der Schwingungsenergie. In DE 199 31 017 C2 ist ein derartiger fluidischer Schwingungsdämpfer beschrieben. Diese bekannten Stoßdämpfer weisen einen Kolben auf, der in einem Zylinder in axialer Richtung verlagerbar angeordnet ist, und der den Zylinder in im wesentlichen zwei Ölräume unterteilt. Einer dieser Ölräume ist darüber hinaus über einen weiteren, verlagerbaren Kolben, den so genannten Trennkolben, unterteilt, nämlich in den verbleibenden Ölraum und in ein Gasvolumen.

Diese Schwingungsdämpfer können wesentlich höher mechanische Schwingungen dämpfen. Durch die Auslegung der Strömungskanäle und der Auswahl des Fluides müssen sie aber durch aufwendige mechanische Bearbeitung an den jeweiligen Anwendungsfälle angepasst werden. Ferner ist nachteilig, dass ein einmal eingestelltes Systemverhalten nur bedingt verändert werden kann. Ihre Zuverlässigkeit hängt folglich von der Einhaltung bestimmter Randbedingungen ab.

In DE 199 02 049 C2 ist eine Einrichtung beschrieben, bei der zur Niveauregelung an Kraftfahrzeugen Luftfederungselemente und steuerbare Ventile angeordnet sind, wobei durch Verlagerung der Strömungskanäle in eine externe Ventilstruktur Möglichkeiten zur aktiven Beeinflussung der Fahrzeugstabilität bestehen. Diese Art von Schwingungsdämpfern benötigen für ihrer Funktion zusätzliche Steuerenergie, die häufig ein vielfaches der zu dämpfenden Schwingungsenergie beträgt.

Mit dem Bestreben die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen zu erhöhen, gewinnt die Energierückgewinnung aus der Schwingungsenergie wachsende Bedeutung. In DE 198 54 949 A1 wird hierzu vorgeschlagen, mit Hilfe eines induktiven Systems aus der Schwingungsenergie von Stoßdämpfern elektrische Energie zu erzeugen. Da die Größe der elektrischen Energie, die bei der Wandlung von mechanischer in elektrische Energie von der Geschwindigkeit der Ankerbewegung des Wandlers abhängt, ist die resultierende Bewegungsgeschwindigkeit der Schwingungsdämpfer für eine effektive magnetische Energiewandlung besonders im Kfz-Bereich viel zu gering. Hinzu kommt noch, dass die Energiedichte je Volumeneinheit bei fluidischen Elementen deutlich größer ist als bei magnetischen Strukturen. Folglich benötigen elektromagnetische Schwingungsdämpfer ein wesentlich größeres Volumen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Schwingungsdämpfer anzugeben, der bei geringer Baugröße eine effektive Wandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Piezokeramische Aktoren besitzen eine sehr große Energiedichte je Volumeneinheit und können daher gut in Schwingungsdämpfer eingebunden werden. Sie besitzen darüber hinaus sowohl ein aktorisches, als auch ein sensorisches Verhalten. Damit gelingt es, mit Hilfe von piezoelektrischen Aktoren aus mechanischer Schwingungsenergie elektrische Energie zu erzeugen und diese um 180° phasenverschoben in eine mechanische Gegenschwingung zurück zu wandeln. Mit diesem Uberlagerungsverfahren kann die Schwingungsenergie nahezu vollständig kompensiert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung mit direkter Übertragung der Schwingungsenergie auf einen piezokeramischen Aktor und
Fig. 2 eine Anordnung mit Übertragung der Schwingungsenergie auf einen piezokeramischen Aktor über ein Fluid.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird die mechanische Schwingungsenergie direkt auf den piezokeramischen Aktor 3 geleitet. Die als Stellweges Δx wirkende Bewegungsgröße des Schwingungselementes 1 wird über ein Federelement 2 auf den piezokeramischen Aktor 3 geleitet. Das Schwingungselement 1 führt gegenüber der Masse 5 eine translatorische schwingende Bewegung aus. Das Federelement 2 ermöglicht die Anpassung des Stellweges Δx und bewirkt eine Änderung der wirksamen Druckkraft ΔF am piezokeramischen Aktor 3. Die Änderung der Druckkraft bewirkt den Aufbau eines elektrischen Feldes, welches eine Ladung ΔQ an den Klemmen des piezokeramischen Aktors 3 erzeugt. Durch eine geeignete Steuereinrichtung 4 kann erreicht werden, dass die Ladung ΔQ nahezu vollständig abgenommen werden kann. Die Energie der abgenommen Ladungen ΔQ wird der Schwingungsenergie entzogen und somit die mechanische Schwingung gedämpft.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schwingungsdämpfers gelingt dadurch, dass die dem Schwingungssystem entzogene elektrische Energie mit einer Phasenverschiebung von 180° durch den piezokeramischen Aktor 3 in mechanische Schwingungen zurück gewandelt wird und dem System wieder zugeführt wird. Durch die Überlagerung der beiden um 180° phasenverschobenen Schwingungen werden diese ausgelöscht.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der die Bewegung des Schwingungselementes 1 über ein Fluid 6 auf den piezokeramischen Aktor 3 geleitet wird und dort eine Änderung der wirksamen Druckkraft ΔF bewirkt. Als bewegungsübertragendes Fluid 6 wird im gezeigten Beispiel Hydrauliköl verwendet. Die Wirkung des Federelementes 2 übernimmt eine abgeschlossene Druckluftanordnung 7, mit der schwingende Druckänderungen Δp der Druckluft erzeugt und auf den piezokeramischen Aktor 3 übertragen werden. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Schwingungselement
2 Federelement
3 piezokeramischer Aktor
4 Steuereinrichtung
5 Masse
6 Fluid
7 Druckluftanordnung

Claims

1. Schwingungsdämpfer, bei dem aus der mechanischen Schwingungsenergie von Stoßdämpfern elektrische Energie erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingungsenergie eines Schwingungselementes (1) mit einem piezoelektrischen Aktor (3) in elektrische Energie umgewandelt und diese zur Energierückgewinnung verwendet wird.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Schwingungselementes (1) über ein Federelement (2) auf den piezoelektrischen Aktor (3) übertragen wird.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Federelement (2) zwischen Schwingungselement (1) und piezoelektrischen Aktor (3) eine Druckfeder angeordnet ist.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Federelement (2) eine Druckluftanordnung (7) verwendet wird, die eine elastische Schwingbewegung des Schwingungselementes (1) gegenüber der Masse (5) ermöglicht.

5. Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zur Erzeugung einer um 180° phasenverschobenen mechanischen Gegenschwingung verwendet wird.