DE102010035087A1

DE102010035087A1 - Elektrischer Dämpfer für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010035087A1
Application number: DE102010035087A
Authority: DE
Inventors: Marco Willems
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-08-21
Filing date: 2010-08-21
Publication date: 2012-02-23
Also published as: CN103097153A; CN103097153B; EP2605924A1; WO2012031648A1; EP2605924B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischer Dämpfer für ein Fahrzeug zur Dämpfung von sich zwischen zwei Bauteilen (7, 11) ergebenden, mechanischen Schwingungen (B), durch die Antriebsmomente in einer Momentenflussrichtung (M) auf einen elektrischen Generator (17) zur Erzeugung einer Induktionsspannung übertragbar sind. Erfindungsgemäß ist dem Generator (17) in der Momentenflussrichtung (M) eine insbesondere hydraulische Dämpfungsstufe (III) vorgeschaltet, die hochfrequente Schwingungsanteile dämpft.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Dämpfer für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solcher elektrischer Dämpfer kann an Stelle eines hydraulischen Dämpfers in einem schwingungsfähigen mechanischen System eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Wie der hydraulische Dämpfer entzieht auch der elektrische Dämpfer dem schwingungsfähigen System Energie. Diese wird jedoch nicht in thermische Energie umgewandelt. Vielmehr wird mit der Schwingungsenergie ein dem elektrischen Dämpfer zugeordneter Generator angetrieben, der die Schwingungsenergie in elektrische Energie umwandelt, die in das Bordnetz des Kraftfahrzeuges gespeist werden kann.
Aus der DE 101 15 858 A1 ist ein gattungsgemäßer elektrischer Dämpfer für ein Kraftfahrzeug bekannt, der zum Dämpfen mechanischer Schwingungen verwendet wird, die sich zwischen zwei Bauteilen ergeben. Die mechanischen Schwingungen werden in Antriebsmomente umgewandelt, mit denen ein elektrischer Generator zur Erzeugung einer Induktionsspannung antreibbar ist.
Bei dem aus der DE 101 15 858 A1 bekannten elektrischen Dämpfer ist der Wirkungsgrad aufgrund oftmals kleiner bzw. langwelliger Fahrzeuganregung gering. Zudem ist die sich einstellende Drehbewegung des im Generator laufenden Rotors im normalen Fahrbetrieb gering. Aufgrund dieser normalerweise geringen Rotor-Drehbewegung werden jedoch Kraftspitzen, die in speziellen Fahrsituationen auftreten können, wegen der geringen Homogenität des Magnetfeldes im Generator stark wahrgenommen. Zudem ist die Dämpfung hochfrequenter Schwingungsanteile in den mechanischen Schwingungen für den elektrischen Dämpfer problematisch, und zwar im Hinblick auf die thermische Belastung des Dämpfers.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Dämpfer für ein Fahrzeug bereitzustellen, bei dem eine thermische Belastung des elektrischen Dämpfers während des Dämpfungsvorganges reduziert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist dem Generator in der Momentenflussrichtung eine insbesondere hydraulische Dämpfungsstufe vorgeschaltet. Mittels der erfindungsgemäßen Dämpfungsstufe können insbesondere hochfrequente Schwingungsanteile gedämpft werden, bevor diese in den elektrischen Dämpfer eingeleitet werden. Die nur schwer durch den elektrischen Generator zu rekuperierende Energie aus hochfrequenten, kleinen Anregungen wird daher bereits in der hydraulischen Dämpfungsstufe gedämpft. Dies führt zu einem guten Ansprechverhalten des elektrischen Dämpfers und reduziert zudem die thermische Belastung des Generators des elektrischen Dämpfers.
Für den Fall, dass die Dämpfungsstufe hydraulisch arbeitet, kann diese einerseits als ein an sich bekanntes hydraulisches Dämpfungslager ausgeführt sein, das Arbeitskammern aufweist, die mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt sind und über Strömungskanäle miteinander strömungstechnisch verbunden sind. Bei einer Beaufschlagung mit mechanischen Schwingungen wird die Dämpferflüssigkeit zwischen den Arbeitskammern hin- und herbewegt, wodurch insbesondere hochfrequente Schwingungen mit vergleichsweise kleinen Amplituden gedämpft werden.
Besonders bevorzugt ist die hydraulische Dämpfungsstufe jedoch eine Drehkolbenanordnung, bei der ein Drehkolben in einem Dämpfungsgehäuse drehgelagert ist. Zwischen dem Drehkolben und dem radial außenseitigen Dämpfungsgehäuse sind die mit der Dämpferflüssigkeit gefüllten Arbeitskammern gebildet. In Einbaulage kann der Drehkolben gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines geeigneten Getriebes mit den mechanischen Schwingungen beaufschlagt werden. Hochfrequente Schwingungen mit geringen Amplituden können dabei weitgehend in der Drehkolbenanordnung gedämpft werden. Die Drehkolbenanordnung ist insbesondere im Hinblick auf die dazu erforderliche geringe Baulänge sowie im Hinblick auf ein stark reduziertes Bauraumangebot von Vorteil.
Für eine geeignete Bewegungsübertragung von einem ersten, mit den mechanischen Schwingungen beaufschlagten Bauteil kann der hydraulischen Dämpfungsstufe eine erste Getriebestufe vorgeschaltet sein. Das Übersetzungsverhältnis der ersten Getriebestufe kann dabei so bemessen sein, dass in der Dämpfungsstufe eine effektive Dämpfung der hochfrequenten Schwingungsanteile durchgeführt werden kann.
Der in Momentenflussrichtung nach der Dämpfungsstufe verbleibende, noch nicht gedämpfte Schwingungsanteil kann in einer Ausführungsvariante direkt in den Generator geleitet werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn zwischen der Dämpfungsstufe und dem Generator in Momentenflussrichtung eine zweite Getriebestufe zwischengeschaltet ist. Das Übersetzungsverhältnis der zweiten Getriebestufe kann dabei bevorzugt so bemessen sein, dass im Generator eine zur Spannungsinduktion geeignete Rotordrehzahl erzielt werden kann.
Im Hinblick auf eine Bauraumreduzierung ist es besonders bevorzugt, wenn die beiden Getriebestufen als Planetengetriebe ausgeführt sind, deren Baulänge im Vergleich zu anderen Getriebearten stark reduzierbar ist. In Kombination mit der als Drehkolbenanordnung realisierten Dämpfungsstufe ergibt sich eine besonders kompakte Baueinheit.
Für eine weitere Bauraumreduzierung ist es von Vorteil, wenn der Stator des Generators zugleich als ein Getriebeelement in der ersten Getriebestufe oder in der zweiten Getriebestufe integriert ist. Durch eine solche Konfiguration ergibt sich eine sehr klein bauende Einheit. Darüber hinaus ist das sich durch obige Konfiguration ergebende Funktionsprinzip des elektrischen Dämpfers nicht aus dem oben angegebenen Stand der Technik bekannt, da erfindungsgemäß der Stator kein feststehendes Bauteil ist, sondern vielmehr beim Dämpfungsvorgang selbst aktiv gedreht wird. Die Drehbewegung des Stators wird über die Getriebe- und Dämpfungsstufen zum Rotor des Generators übertragen. Durch entsprechende Getriebeübersetzungen kann der Rotor mit einer im Vergleich zum Stator wesentlich größeren Drehzahl gedreht werden. Dadurch kann der Generator in an sich bekannter Weise die Induktionsspannung erzeugen.
Das erste Bauteil kann beispielhaft ein schwingungsbehaftetes Radführungselement einer Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug sein, während das zweite Bauteil der feststehende Fahrzeugaufbau sein kann. Das Radführungselement kann ferner über eine Schwenkachse drehgelenkig mit dem Fahrzeugaufbau verbunden sein. Für eine äußerst kompakte Gestaltung des elektrischen Dämpfers ist es bevorzugt, wenn die Gelenkachse koaxial zur Drehachse des Rotors, der Dämpfungsstufe und/oder der beiden Getriebestufen angeordnet ist.
Im oben angegebenen Fall können die mechanischen Drehschwingungen vom ersten Bauteil unmittelbar in den Stator des Generators eingeleitet werden. Der das erste Bauteil bildende Radführungselement kann hierzu drehfest, etwa im Presssitz, auf dem Stator des Generators sitzen, das heißt drehfest in das Befestigungsauge des Radführungselementes eingesetzt sein.
Zur technischen Realisierung einer oben skizzierten Gelenkstelle mit integriertem elektrischen Dämpfer ist eine bauraumreduzierte Gestaltung des elektrischen Dämpfers vorrangig. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn der Stator des Generators zusammen mit dem radial äußeren Hohlrad des Planetengetriebes der ersten Getriebestufe eine einstückige Baueinheit bildet. Das Hohlrad wirkt daher als ein Eingangselement der ersten Getriebestufe. Das Ausgangselement der ersten Getriebestufe kann bevorzugt dagegen das radial innere Sonnenrad sein, das direkt in Verbindung mit der hydraulischen Dämpferstufe ist. Der Planetenradträger des ersten Planetengetriebes kann dagegen drehfest am zweiten, feststehenden Bauteil abgestützt sein.
Das oben erwähnte Ausgangselement des ersten Planetengetriebes kann ferner drehfest mit dem als Eingangselement wirkenden Planetenradträger des Planetengetriebes der zweiten Getriebestufe verbunden sein. Der Planetenradträger des zweiten Planetengetriebes kann dabei in Doppelfunktion zusätzlich noch als Drehkolben ausgeführt sein, der in der hydraulischen Dämpferstufe in einem Dämpfergehäuse drehbar gelagert ist, wie es bereits weiter oben erwähnt ist.
Das Dämpfergehäuse der Drehkolbenanordnung kann bevorzugt am feststehenden zweiten Bauteil, das heißt dem Fahrzeugaufbau, montiert sein.
Mit Bezug auf eine bauraumgünstige Gestaltung kann das Hohlrad des Planetengetriebes der zweiten Getriebestufe drehfest mit dem zweiten, feststehenden Bauteil verbunden sein und besonders bevorzugt unmittelbar in dem Dämpfungsgehäuse integriert sein sowie als Drehmomentstütze wirken. Das Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes kann dagegen als Ausgangselement trieblich mit dem Rotor des Generators verbunden sein, um die Antriebsmomente zum Generator zu leiten.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Fig. beschrieben.
Es zeigen:
1 in grob schematischer Darstellung eine Radaufhängung eines Fahrzeugrades;
2 eine Anlenkstelle eines Radführungselementes der Radaufhängung am Fahrzeugaufbau in teilweiser Explosionsansicht; und
3 in einer schematischen Seitenschnittdarstellung den am Fahrzeugaufbau befestigten elektrischen Dämpfer, auf dem das Radführungselement drehfest montiert ist.
In der 1 ist die Radaufhängung eines Fahrzeugrades 1 eines Kraftfahrzeuges gezeigt. Das Fahrzeugrad 1 ist an einem Radträger 3 drehgelagert. Der Radträger 3 ist über Querlenker 5 am Fahrzeugaufbau 7 angelenkt. Zusätzlich wirkt ein Schräglenker 9 auf den Radträger 3, der über eine Koppel 11 mit dem Fahrzeugaufbau 7 verbunden ist. Die Koppel 11 ist in der 1 an einer Anlenkstelle S um eine Schwenkachse D drehgelenkig mit dem Fahrzeugaufbau 7 verbunden.
In der 2 ist die Anlenkstelle S zwischen der Koppel 11 und dem Fahrzeugaufbau 7 vergrößert und in teilweiser Explositionsdarstellung gezeigt. Die Koppel 11 weist ein Befestigungsauge 13 auf, das über einen elektrischen Dämpfer 15 an einer nur gestrichelt angedeuteten Haltekonsole 16 befestigt ist, wie es in der 2 gezeigt ist.
Der elektrische Dämpfer 15 weist gemäß der 3 einen Innenpolgenerator 17 auf, der einen radial äußeren Stator 18 sowie einen damit zusammenwirkenden Rotor 19 enthält. Der in etwa hohlzylindrisch ausgeführte Stator 18 trägt an seiner Innenseite nicht näher gezeigte Induktionswicklungen, die mit ebenfalls nicht dargestellten Elektromagneten des Rotors 19 zusammenwirken. Gemäß der 2 und 3 trägt der Stator 18 an seiner äußeren Umfangsseite im Presssitz die Koppel 11. Alternativ zur Ausführung als Innenpolgenerator können die Wicklungen auch auf dem Rotor sitzen und die Feldmagnete auf dem Stator sitzen.
Wie aus der 3 hervorgeht, ist der Stator 18 über zwei Getriebestufen I, II sowie einer dazwischen geschalteten hydraulischen Dämpferstufe III trieblich mit dem Rotor 19 des Generators 17 in Verbindung. Hierzu ist der Stator 18 gemäß der 3 zum rechten Bildrand durch ein Hohlrad 20 nach rechts verlängert. Das im Vergleich zum Stator 18 im Durchmesser größere Hohlrad 20 schließt in Axialrichtung über eine Abstufung an den Stator 18 an und bildet ein Momenten-Eingangselement der als Planetengetriebe gestalteten Getriebestufe I.
In der als Planetengetriebe ausgeführten Getriebestufe I kämmt das Hohlrad 20 mit seiner Innenverzahnung 21 mit Planetenrädern 22. Diese sind wiederum in Zahneingriff mit einem Sonnenrad 23, das koaxial zur Drehachse A des Rotors 19 angeordnet ist. Die Planetenräder 22 der ersten Getriebestufe I sind gemäß der 3 an einem Planetenradträger 25 drehbar gelagert.
Dieser ist wiederum drehfest an einem feststehenden Dämpfungsgehäuse 27 angeformt, das über die bereits genannten Haltekonsolen 16 am Fahrzeugaufbau 7 montiert ist.
Das Sonnenrad 23 der ersten Getriebestufe I wird drehfest von einer Hohlwelle 28 getragen, auf deren, in der 3 rechten Stirnseite ein Planetenradträger 29 der zweiten Getriebestufe II angeformt ist. Die zweite Getriebestufe II ist, wie auch die erste Getriebestufe I, als Planetengetriebe ausgeführt, wobei die Planetenräder 30 radial außen mit einer Innenverzahnung 33 des fest am Fahrzeugaufbau 7 montierten Dämpfungsgehäuses 27 kämmen. Das mit den Planetenrädern 30 in Zahneingriff befindliche Sonnenrad 35 der zweiten Getriebestufe II bildet das Momenten-Ausgangselement. Gemäß der 3 ist das Sonnenrad 35 ferner über eine koaxial durch die Hohlwelle 28 geführte Antriebswelle 36 mit dem Rotor 19 des Generators 17 trieblich verbunden.
Wie aus der 3 weiter hervorgeht, dient demgegenüber der Planetenradträger 29 der zweiten Getriebestufe II als ein Eingangselement, über das Antriebsmomente in die zweite Getriebestufe II eingeleitet werden. In Doppelfunktion ist der Planetenradträger 29 nicht nur das Eingangselement der zweiten Getriebestufe II, sondern auch Bestandteil der Dämpfungsstufe III. Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine hydraulische Drehkolbenanordnung ausgeführt, wie sie in der 2 veranschaulicht ist. Demzufolge ist der Planetenradträger 29 als ein scheibenförmiger Drehkolben in dem Dämpfungsgehäuse 27 drehgelagert. Zwischen der Innenseite des Dämpfungsgehäuses 27 und dem in etwa dreieckförmig mit abgerundeten Winkeln gestalteten Planetenradträger 29 sind insgesamt drei Arbeitskammern 37 definiert. Diese sind über nicht dargestellte Strömungskanäle miteinander verbunden. Die Arbeitskammern 37 sind außerdem mit einem Dämpferfluid gefüllt.
Gemäß der 2 sind außerdem die auf dem Planetenradträger 29 befindlichen Achszapfen 39 ersichtlich, auf denen die Planetenräder 30 der zweiten Getriebestufe II drehgelagert sind. Diese sind, wie bereits erwähnt, mit einer in der 2 nicht dargestellten Innenverzahnung 33 des Dämpfungsgehäuses 27 in Zahneingriff. Zudem zeigt die 2 das Sonnenrad 35 der zweiten Getriebestufe II, die über die Antriebswelle 36 auf den in der 2 nicht dargestellten Rotor 19 abtreibt. Die Antriebswelle 36 ist dabei gemäß den 2 und 3 koaxial zur Schwenkachse D der Anlenkstelle 5.
Während des Fahrbetriebs wird die Koppel 11 mit betriebsbedingten, mechanischen Schwingungen beaufschlagt, die in Drehschwingungen B der Koppel 11 mit Bezug auf die Schwenkachse D resultieren. Durch diese Drehschwingungen B wird der Stator 18 mit Antriebsmomenten angetrieben. Diese Antriebsmomente werden in einer Momentenflussrichtung M über das Hohlrad 20 in die erste Getriebestufe I eingeleitet. Deren Übersetzungsverhältnis ist so bemessen, dass sich in der, in der Momentenflussrichtung M nachgeschalteten Dämpfungsstufe III eine effektive Dämpfung von insbesondere den hochfrequenten Schwingungsanteilen ergibt. Über das als Ausgangselement dienende Sonnenrad 23 werden die Antriebsmomente durch den Planetenradträger 29 in die zweite Getriebestufe II eingeleitet. Die hydraulische Dämpfung erfolgt dabei, wie oben erwähnt, unmittelbar am Planetenradträger 29 der zweiten Getriebestufe.
Das Übersetzungsverhältnis der, der Dämpfungsstufe III nachgeschalteten zweiten Getriebestufe II ist dabei so bemessen, dass sich auch bei kleinen bzw. langwelligen mechanischen Schwingungen eine, für eine effektive Spannungsinduktion geeignete Rotordrehzahl ergibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10115858 A1 [0003, 0004]

Claims

Elektrischer Dämpfer für ein Fahrzeug zur Dämpfung von sich zwischen zwei Bauteilen (7, 11) ergebenden, mechanischen Schwingungen (B), durch die Antriebsmomente in einer Momentenflussrichtung (M) auf einen elektrischen Generator (17) zur Erzeugung einer Induktionsspannung übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (17) in der Momentenflussrichtung (M) eine insbesondere hydraulische Dämpfungsstufe (III) vorgeschaltet ist, die hochfrequente Schwingungsanteile dämpft.
Elektrischer Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Dämpfungsstufe (III) eine Drehkolbenanordnung ist, bei der ein Drehkolben (29) in einem Dämpfungsgehäuse (20) drehgelagert ist, und zwischen dem Drehkolben (29) und dem Dämpfungsgehäuse (20) mit einem Dämpferfluid gefüllte Arbeitskammern (37) gebildet sind, wobei das Dämpferfluid infolge der mechanischen Schwingungen (B) zwischen den Arbeitskammern (37) hin- und herströmt.
Elektrischer Dämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulischen Dämpfungsstufe (III) eine erste Getriebestufe (I) vorgeschaltet ist, deren Übersetzungsverhältnis so bemessen ist, dass in der Dämpfungsstufe (III) eine effektive Dämpfung der hochfrequenten Schwingungsanteile durchführbar ist.
Elektrischer Dämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsstufe (III) eine zweite Getriebestufe (II) nachgeschaltet ist, deren Übersetzungsverhältnis so bemessen ist, dass im Generator (17) eine zur Spannungsinduktion geeignete Rotordrehzahl erzielbar ist.
Elektrischer Dämpfer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Getriebestufe (I, II) als Planetengetriebe ausgeführt sind.
Elektrischer Dämpfer nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (18) des Generators (17) als ein Getriebeelement in der ersten Getriebestufe (I) oder in der zweiten Getriebestufe (II) integriert ist.
Elektrischer Dämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Schwingungen (B) vom ersten Bauteil (11) in den Stator (18) des Generators (17) einleitbar sind, wobei insbesondere der Stator (18) des Generators (17) drehfest mit dem ersten Bauteil (11) verbunden ist, und insbesondere der Stator (18) drehfest in einem Befestigungsauge (13) des ersten Bauteils (11) eingesetzt ist.
Elektrischer Dämpfer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere Hohlrad (20) des Planetengetriebes der ersten Getriebestufe (I) und der Stator (18) des Generators (17) eine einstückige Baueinheit bilden, und/oder das Hohlrad (20) das Eingangselement des Planentengetriebes ist, über das Antriebsmomente in die erste Getriebestufe (I) einleitbar sind.
Elektrischer Dämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das radial innere Sonnenrad (23) des Planetengetriebes der ersten Getriebestufe (I) als Ausgangselement wirkt, das mit der Dämpferstufe (III) in Verbindung ist.
Elektrischer Dämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenradträger (25) des Planetenradgetriebes der ersten Getriebestufe (I) drehfest am zweiten Bauteil (7) abgestützt ist.
Elektrischer Dämpfer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (23) der ersten Getriebestufe (I) drehfest mit dem als Eingangselement wirkenden Planetenradträger (29) des Planetengetriebes der zweiten Getriebestufe (II) verbunden ist.
Elektrischer Dämpfer nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenradträger (29) der zweiten Getriebestufe (II) als Drehkolben der hydraulischen Dämpferstufe (III) ausgebildet ist.
Elektrischer Dämpfer nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (27) des Planetengetriebes der zweiten Getriebestufe (II) drehfest am zweiten Bauteil (7) abgestützt ist.
Elektrischer Dämpfer nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (35) des Planetengetriebes der zweiten Getriebestufe (II) als Ausgangselement wirkt, das über eine Antriebswelle (36) mit dem die Antriebsmomente (M) zum Rotor (19) des Generators (17) verbunden ist.
Elektrischer Dämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingungsbehaftete erste Bauteil (11) ein Radführungselement ist, und das feststehende zweite Bauteil (7) der Fahrzeugaufbau ist, an dem das Radführungselement um eine Drehachse (D) gelenkig abgestützt ist, wobei insbesondere die Drehachse (D) koaxial zur Drehachse (A) des Rotors (19), der Dämpfungsstufe (III) und/oder der beiden Getriebestufen (I, II) angeordnet ist.