DE10307168B3 - Schwingungsdämpfungseinrichtung und Fahrzeug mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung für resonanzempfindliche Bereiche oder Bauteile - Google Patents

Abstract

Es werden eine Schwingungsdämpfungseinrichtung zur aktiven Dämpfung von Schwingungen in mindestens bereichsweise flächigen Bauteilen (1) sowie ein Fahrzeug mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung (10) vorgeschlagen, wobei die Schwingungsdämpfungseinrichtung mindestens ein piezoelektrisches Element (2) aufweist, welches derart an einer Oberfläche des zu dämpfenden Bauteils (1) befestigt ist, dass eine zur Oberfläche des Bauteils (1) im Wesentlichen rechtwinklige Verformung des piezoelektrischen Elementes (2) auf das flächige Bauteil (1) übertragbar ist, entsprechend der Richtung der Polarisation einer an das piezoelektrische Element (2) angelegten Versorgungsspannung.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schwingungsdämpfungseinrichtung für flächige Bauteile sowie ein Fahrzeug mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung für resonanzempfindliche, flächige Bereiche oder Bauteile. Insbesondere betrifft die Erfindung eine aktive Schwingungsdämpfung, mittels welcher durch gezieltes Aufbringen von Gegen-Kräften auf das flächige Bauteil an einer oder mehreren Stellen des selbigen das Auftreten von kritischen Schwingungssituationen bzw. Resonanzen vermieden werden kann.
• Im Fahrzeugbau werden herkömmlicherweise einzelne Karosserieteile zur Vermeidung von Schwingungen gedämpft, wie z. B. resonanzempfindliche Teile, wie der Fahrzeugboden, Trennwände usw. Hierzu ist es bekannt, über ansteuerbare aktive Elemente – sogenannte Aktuatoren – an bestimmten Punkten der Teile gezielt Kräfte einzuleiten, wodurch das Auftreten von Schwingungen vermindert oder verhindert werden kann. Derartige aktive Elemente, wie z. B. elektrische Aktuatoren, werden hierbei als Gegenschwingungserzeuger gezielt an kritischen Bereichen einer Fahrzeugkarosserie eingebaut. In der Regel werden dabei sogenannte Piezoelemente verwendet, die unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts von piezoelektrischen Werkstoffen und deren Ausdehnung bzw. Zusammenziehung bei Anlegen einer elektrischen Spannung, das Übertragen und Aufnehmen von Biegekräften von und in das Bauteil ermöglichen. Umgekehrt sind derartige piezoelektrische Elemente auch als Schwingungssensoren einsetzbar, über welche in den Bauteilen auftretende Schwingungen auf eine entsprechende Steuer-/Regelelektronik ermittelbar sind.
• In der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 11 787 A1 ist z. B. ein Kraftfahrzeug mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung beschrieben, bei welcher zwischen den Längsträgern eines Fahrzeuges und einem Frontmodul mehrere derartige Piezoaktoren zur aktiven Dämpfung und Einflussnahme auf das Auftreten von Schwingungen im Fahrzeug vorgesehen sind. Gleichermaßen ist in der deutschen Patentschrift DE 101 12 738 C1 ein Tragelement eines Instrumententrägers für ein Fahrzeug beschrieben, bei welchem zwischen den A-Säulen des Fahrzeuges und dem Instrumententräger mehrere keramische Piezoelemente eingebaut sind zur Dämpfung von im Fahrbetrieb des Fahrzeuges auftretenden Schwingungen. Hierzu werden die Schwingungen über die Piezoelemente erfasst, und bei Auftreten von kritischen Schwingungen wird eine Gegenschwingung bzw. Kompensationsschwingung durch die Piezoelemente eingeleitet. Damit kann das Auftreten von Resonanzen an dem Instrumentenbereich des Fahrzeuges oder dem Chassis aktiv und in jeder Fahrsituation unterbunden werden.
• Auch für die Dämpfung von flächigen Bauteilen oder Bereichen von KfZ ist es bekannt, derartige Piezoaktoren einzusetzen: Dabei werden möglichst großflächige Piezoelemente an kritischen Stellen des Bauteils oder Fahrzeugbereiches befestigt bzw. aufgeklebt. Unter Ausnutzung der Längenausdehnungen und -kontraktion des Piezoelementes parallel zur Oberfläche des zudämpfenden Teils bei Anlegen einer elektrischen Spannung kann über die feste Verbindung mit dem zu dämpfenden Bauteil das Auftreten von Schwingungen gezielt reduziert werden. Nachteilig hierbei ist, dass einerseits eine Vielzahl derartiger, relativ großflächiger Piezoaktoren erforderlich ist, um eine ausreichende Krafteinleitung in das Bauteil zu gewährleisten. Die Piezoaktoren müssen über eine möglichst große Fläche verteilt aufgebracht werden und insbesondere in zentralen, resonanzkritischen Bereichen von Bauteilen. Dies erhöht nicht nur die Herstellungskosten, sondern hat auch Nachteile hinsichtlich der notwendigen Verkabelungen und einer Störungsanfälligkeit eines derartigen Schwingungsdämpfungssystems. Weiter ist bei diesem gebräuchlichen Prinzip einer Schwingungsdämpfung von flächigen Bauteilen mittels aufgeklebter Piezo-Platten oder -Folien von Nachteil, dass die Wirksamkeit in der Erzeugung von Gegenschwingungen beschränkt ist bei Ausnutzung der Längsausdehnung und -kontraktion des Piezoelementes (sogenannte d-31-Piezoelemente), da die verformungsinduzierten, mit dem Piezoaktor erzeugbaren Kräfte reduziert sind.
• In dem Fachaufsatz der Automobiltechnischen Zeitschrift ATZ 100 (1998), H. 10, Seite 810–816, "Strukturregelung – eine Möglichkeit der Geräuschminderung im Automobilbau" sind piezoelektrische Aktoren zur Dämpfung der Schwingung von flächigen Bauteilen beschrieben. Einerseits sind dort flächige piezoelektrische Elemente (Platten) beschrieben, die durch kraftschlüssige Befestigung an den Bauteilen eine Übertragung von einem Biegemoment der Piezo-Elemente zur Schwingungsdämpfung bewirken. Andererseits sind piezoelektrische Elemente in Stapelbauweise hier beschrieben, die zum Aufbringen einer punktförmigen Kraft auf die zu dämpfenden Bauteile geeignet sind. Halterungen für die piezoelektrischen Elemente sind hier nicht beschrieben.
• Die DE 197 2 518 C2 sowie die DE 697 15 834T2 beschreiben jeweils eine Befestigung von piezoelektrischen Elementen an zu dämpfenden Bauteilen mittels Schraubverbindungen, wobei die Schrauben die Piezo-Elemente durchqueren und punktförmig an eine Oberfläche des zu dämpfenden Bauteils anpressen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aktive Schwingungsdämpfungseinrichtung bereitzustellen, welche bei geringerem Raumbedarf und auf konstruktiv einfache Art und Weise eine wirksame aktive Schwingungsdämpfung auch von großflächigen Bereichen flächiger Bauteile ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Fahrzeug mit aktiver Schwingungsdämpfung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungseinrichtung zur aktiven Dämpfung von einem mindestens bereichsweise flächigen Bauteil, insbesondere einem flächigen Karosseriebereich eines Fahrzeugs, weist mindestens ein piezoelektrisches Element auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element derart an einer Oberfläche des Bauteils befestigt ist, dass eine zur Oberfläche des Bauteils im Wesentlichen rechtwinklige Verformung des piezoelektrischen Elements auf das flächige Bauteil zu seiner Dämpfung übertragbar ist, entsprechend der Richtung der Polarisation einer Versorgungsspannung des piezoelektrischen Elementes. Auf diese Weise kann über ein wesentlich kleineres piezoelektrisches Element als bei herkömmlichen Piezoplatten oder -folien eine größere Krafteinleitung in das flächige Bauteil erfolgen. Die Ausnutzung einer im Wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche des Bauteils sich einstellenden Verformung des piezoelektrischen Elementes, welche der Richtung der Polarisation einer Versorgungsspannung des Elementes entspricht, hat ergeben, dass sie gegenüber einer Kontraktion in Längsrichtung parallel zur Oberfläche des Bauteils (Stand der Technik) um ein Vielfaches wirksamer ist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Elementes, das heißt im Wesentlichen rechtwinklig zu der Oberfläche des zu dämpfenden Bauteils, wird das piezoelektrische Element in dieser Richtung ausgedehnt, bei gleichzeitigem Zusammenziehen bzw. Kontraktion in einer Richtung quer dazu. Es hat sich gezeigt, dass die Ausdehnung in Richtung der Polarisation des piezoelektrischen Elementes größer ist als die Zusammenziehung in der Querrichtung. Aus diesem Grund kann erfindungsgemäß die Schwingungsdämpfungseinrichtung mit insgesamt kleineren piezoelektrischen Elementen ausgestattet sein und/oder es kann eine effektive Schwingungsdämpfung des Bauteils und damit des gesamten Fahrzeuges mit einer geringeren Anzahl von piezoelektrischen Elementen realisiert werden. Die größere Ausdehnung in Richtung der Polarisation ermöglicht nämlich mit einem kleineren piezoelektrischen Element, über eine entsprechende Befestigung und Anordnung an dem flächigen Bauteil höhere Kräfte und damit größere Wege auf das letztere zu übertragen, was einer größeren schwingungsrelevanten Einflussnahme auf das Bauteil über den Piezoaktor bedeutet.
• Obwohl das erfindungsgemäße piezoelektrische Element der Schwingungsdämpfungseinrichtung eine wesentlich geringere flächenmäßige Ausdehnung aufweist als die herkömmlichen Piezo-Platten oder -Folien zur Schwingungsdämpfung von flächigen Bauteilen, kann so eine größere Wirkung mit einem geringeren baulichen Aufwand erreicht werden. Insgesamt sind in einem Fahrzeug damit weniger piezoelektrische Elemente zur Schwingungsdämpfung erforderlich als bisher. Andererseits kann bei einem gegebenen Bauteil, beispielsweise einer Bodenplatte einer Fahrzeugkarosserie, die Schwingungsdämpfungseinrichtung auch am Rande des Bauteils angeordnet werden aufgrund der höheren Wirksamkeit der einzelnen Elemente, sodass der Mittenbereich des Bauteils unverändert bleiben kann. Die Montage und die Kosten der Schwingungsdämpfungseinrichtung sind reduziert, da weniger bzw. geringere Längen von Verkabelungen erforderlich sind sowie eine geringere Anzahl von kostenintensiven piezoelektrischen Elementen vorzusehen ist.
• Gemäß der Erfindung ist eine schellenartige Halterung vorgesehen, welche das Piezoelement übergreift und welche insbesondere mit einem Verbindungsmittel an der Oberfläche des Bauteils befestigt ist. Die Befestigung ist vorzugsweise kraftschlüssig. Die Schwingungsdämpfungseinrichtung kann hierdurch auch relativ einfach nachträglich an bestehenden Bauteilen montiert werden, durch einfaches Aufschrauben, Aufkleben oder Festnieten der Halterung, welche das piezoelektrische Element übergreift. Die schellenartige Halterung ist derart vorgesehen, dass die Verformung des piezoelektrischen Elements quer zur Oberfläche des Bauteils durch die Halterung in Biegekräfte in dem Bauteil großflächig übertragbar ist. Vorzugsweise ist das Piezoelement durch Klemmung mittels der Halterung an einer Oberfläche befestigt. Die konstruktive Ausgestaltung und Realisierung ist denkbar einfach. Durch die erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungseinrichtung wird im Vergleich zum Stand der Technik eine geringere Flächenausdehnung benötigt, da die Halterung zusammen mit dem wesentlich kleineren piezoelektrischen Element kleiner ist und insgesamt weniger derartige Komponenten aufgrund ihrer größeren Wirksamkeit erforderlich sind.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das piezoelektrische Element in einem Randbereich des flächigen Bauteils mit im Vergleich zu seinem Mittenbereich relativ hoher mechanischer Steifigkeit angeordnet. Aufgrund der größeren Kräfte und Verformung des piezoelektrischen Elementes gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit der Schwingungsdämpfungseinrichtung auch von einem Randbereich eines Bauteils her eine wirksame, aktive Schwingungsdämpfung des Bauteils erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass die mittigen Bereiche des Bauteils frei bleiben von störenden, zusätzlichen Einrichtungen und dass der Aufwand einer Montage und/oder Verkabelung der einzelnen piezoelektrischen Elemente der Schwingungsdämpfungseinrichtung reduziert sind.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sensorik vorgesehen zur Erfassung von auftretenden Schwingungen und Resonanzen des flächigen Bauteils. Unter Sensorik wird vorliegend eine Schaltung mit entsprechenden Sensoren verstanden, mittels welcher auftretende Schwingungen in der Fahrzeugkarosserie und ihren einzelnen Bauteilen erfassbar sind. Dies hat den Vorteil, dass im Sinne einer intelligenten, adaptiven Regelung das Auftreten von Schwingungen durch Resonanzen in schallempfindlichen Bauteilen (flächigen Bereichen) des Fahrzeugs entsprechend dem jeweiligen Fahrzustand wirksam und in jeder Situation verhindert werden kann. Mittels der Sensorik werden permanent auftretende Schwingungen unmittelbar erfasst, und es kann z.B. bei Überschreiten von kritischen Werten beispielsweise über die erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungseinrichtung durch Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Elemente eine Gegenschwingungskraft in das jeweilige Bauteil gezielt eingeleitet werden. Die Schwingungserfassung kann hierbei durch dem Fachmann hinlänglich bekannte Systeme erfolgen, welche mittels piezoelektrischer Sensoren oder anderen Sensoren eine Erfassung und Weiterverarbeitung von Schwingungsinformationen ermöglichen.
• Nach einem diesbezüglichen Aspekt der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen, die angepasst ist zur adaptiven, automatischen Dämpfung von Schwingungen des flächigen Bauteils. Diese kann global erfolgen oder gezielt und unterschiedlich stark für einzelne Piezoaktoren. Auf diese Weise kann eine permanente, effektive Schwingungsvermeidung durch Resonanzerscheinungen in dem flächigen Bauteil realisiert werden. Die Steuerung der Schwingungsdämpfungseinrichtung gemäß der Erfindung greift in jeder kritischen Situation über die Piezoaktoren bzw. aktiv ansteuerbaren piezoelektrischen Elemente durch Einleitung von den Schwingungen entsprechenden Gegenschwingungen automatisch ein, ohne dass der Fahrer hiervon etwas bemerkt.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine piezoelektrische Element ein d-33-Piezoelement. Ein d-33-Piezoelement ist ein piezoelektrisches Bauteil, welches eine Ausdehnung des piezoelektrischen Materials, wie z. B. Keramiken oder Quarzkristalle, in Richtung der Polarisation der angelegten elektrischen Spannung ausnutzt. Die Ausdehnung in Richtung der Polarisation ist im Verhältnis zur Schrumpfung bzw. Kontraktion des Materials in einer Richtung quer zu dieser Polarisationsrichtung größer, wodurch gegenüber herkömmlichen piezoelektrischen Elementen, wie sie zur Schwingungsdämpfung von flächigen Bauteilen bisher verwendet wurden, sogenannte d-31-Piezoplatten, eine größere Wirkung bei einem wesentlich geringeren Flächenbedarf bzw. Raumbedarf erreicht wird.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das piezoelektrische Element durch Klemmung an der Oberfläche des flächigen Bauteils befestigt. Hierdurch sind keine direkten Befestigungselemente an dem Piezomaterial, wie z. B. eine Klebung oder Verschraubung, erforderlich. Dadurch, dass das Element selbst nur an der Oberfläche eines zu dämpfenden flächigen Bauteils festgeklemmt ist, können auch nachträgliche Einbauten oder Nachrüstungen von Bauteilen auf leichte Weise realisiert werden. Die Bauteile können beispielsweise auch mit einem Lack oder einer Schutzschicht versehen sein, da die Befestigung des piezoelektrischen Elementes an dem zu dämpfenden Bauteil durch Klemmung von außen realisiert wird.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das piezoelektrische Element der Schwingungsdämpfungseinrichtung der Erfindung in der Nähe eines versteifenden Rahmenteils des zu dämpfenden Bauteils angeordnet. Das Rahmenteil kann beispielsweise ein umlaufender Stützrahmen einer Fahrzeugkarosserie-Bodenplatte sein oder ein die Struktur des flächigen Bauteils versteifendes umlaufendes Profilelement. Dies hat den Vorteil, dass die Verbindungsleitungen zu dem piezoelektrischen Element einfach verlegt werden können, ohne dass sie über einen größeren Bereich einer Fläche geführt werden müssen. Außerdem können so für die Implementierung der erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfungseinrichtungan der Fahrzeugkarosserie bzw. den flächigen Bauteilen bestimmte Bereiche ausgewählt werden, die relativ geschützt sind und deshalb eine störungssichere Funktion der Schwingungsdämpfung über einen langen Zeitraum gewährleisten.
• Das erfindungsgemäße Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 weist eine Karosserie auf, welche resonanzempfindliche, flächige Bereiche und/oder Bauteile aufweist sowie Mittel zur aktiven Schwingungsdämpfung der Karosserie, wobei mindestens eine Schwingungsdämpfungseinrichtung mit einem piezoelektrischen Element vorgesehen ist, welches derart an einer Oberfläche des Bauteils befestigt ist, dass eine zur Oberfläche des Bauteils im Wesentlichen rechtwinklige Verformung des piezoelektrischen Elementes auf das flächige Bauteil übertragbar ist, entsprechend der Richtung der Polarisation einer an das piezoelektrische Element angelegten Versorgungsspannung. Die Schwingungsdämpfung des Fahrzeuges kann mit einem gegenüber herkömmlichen Systemen reduzierten konstruktivem Aufwand realisiert werden, da entsprechend weniger piezoelektrische Elemente in einer zudem kleineren Abmessung bei gleichbleibender Wirksamkeit der Schwingungsdämpfung vorgesehen werden müssen.
• Die piezoelektrischen Elemente können kleiner sein als bisher, da die Ausdehnung in Richtung der Polarisation der angelegten Spannung (im Wesentlichen rechtwinklig zu der Oberfläche der zu dämpfenden jeweiligen Bauteilfläche) größer ist als die bisher bei derartigen Schwingungsdämpfungssystemen benutzten Schrumpfungen (Kontraktionen) von flächig aufgeklebten piezoelektrischen Platten oder Folien. Das Fahrzeug wird in seiner bestehenden Konstruktion kaum beeinflusst, da eine geringe Anzahl von zusätzlichen Komponenten an kritischen Fahrzeugbereichen und/oder -bauteilen montiert werden muss. Die Verkabelung der einzelnen piezoelektrischen Elemente ist weniger aufwendig und kostenintensiv, da eine geringe Anzahl von Leitungen und eine kürzere Länge derselben erforderlich ist. Die piezoelektrischen Elemente können auch in relativ steifen Randbereichen der jeweiligen resonanzempfindlichen Bauteile angeordnet werden, aufgrund ihrer größeren Effektivität in der Schwingungsdämpfung. Das Fahrzeug ist hinsichtlich der Schwingungsdämpfung kostenmäßig optimiert. Der Herstellungsaufwand ist gleichermaßen wie auch der Wartungs- und Reparaturaufwand bei Beschädigung von einzelnen Karosserieteilen des Fahrzeuges gegenüber den bisher bekannten Systemen beträchtlich reduziert.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist eine zentrale Steuerung vorgesehen zur selbsttätigen, adaptiven Ermittlung und Dämpfung von auftretenden Schwingungen in resonanzempfindlichen Bereichen des Fahrzeugs. Die Steuerung kann hierbei Teil einer globalen Fahrzeugsteuerung sein oder als separates Steuerungsmodul, welches auch zum Nachbau in bereits bestehende Fahrzeuge geeignet ist, implementiert sein. Die selbsttätige, adaptive Ermittlung von auftretenden Schwingungen kann hierbei über die piezoelektrischen Elemente der Schwingungsdämpfungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung selbst erfolgen oder über entsprechende zusätzliche Sensoren.
• Die aktive Dämpfung kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen in jeweiligen Randbereichen von schwingungsempfindlichen Bauteilen verwirklicht werden. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur eine geringere Anzahl von piezoelektrischen Elementen für die aktive Schwingungsdämpfung in dem Fahrzeug notwendig ist, sondern dass auch die flächigen Bereiche der Fahrzeugkarosserie, welche in der Regel freiliegend und damit ungeeignet sind zum Vorsehen von zusätzlichen Einrichtungen, frei bleiben von piezoelektrischen Elementen und ihren Befestigungen und Verkabelungen.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in welcher die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.
• In der Zeichnung zeigen:
• 1 eine schematische Seitenansicht einer Schwingungsdämpfungseinrichtung für ein flächiges Bauteil gemäß dem Stand der Technik;
• 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schwingungsdämpfungseinrichtung für ein flächiges Bauteil gemäß der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht; und
• 3 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• 1 zeigt schematisch die Funktionsweise einer Schwingungsdämpfungseinrichtung mit einem piezoelektrischen Element zur Schwingungsdämpfung eines flächigen Bauteils 1 gemäß dem Stand der Technik. Herkömmlicherweise werden zur Schwingungsdämpfung von resonanzempfindlichen Körpern oder Bauteilen, insbesondere von großflächigen Bauteilen 1, plattenförmige Piezoaktoren 9 verwendet, welche auf eine Oberfläche des zu dämpfenden Bauteils 1 aufgeklebt werden. Die piezoelektrischen Elemente 2' sind dabei in Art einer Folie oder einer Platte aus einem piezoelektrischen Material, wie z. B. Quarzkristallen oder PZT-Keramiken, bereitgestellt. Gegebenenfalls weist ein piezoelektrisches Element 2' mehrere Schichten von piezoelektrischem Material auf. Die Piezoelemente 2' bzw. Piezoaktoren 9 werden zur Schwingungsdämpfung möglichst großflächig realisiert, sodass der d-31-Piezoeffekt des Piezoelementes 2' zur Erzeugung von Gegenkräften zur Verhinderung einer Schwingung in das flächige Bauteil 1 ausgenutzt werden kann. Es wird hierbei die Ausdehnung bzw. Kontraktion des piezoelektrischen Elementes 2' in Längsrichtung ausgenutzt, d.h. einer Richtung im Wesentlichen parallel zu dem zu dämpfenden flächigen Bauteil 1. Dies ist in 1 mit dem eingetragenen Kräftepfeil F wiedergegeben. Das piezoelektrische Element 2' ist an der Oberfläche des Bauteils 1 kraftschlüssig befestigt, z.B. aufgeklebt, sodass bei Anlegen einer Spannung mit einer Polarisation (in den Fig. mit "+/–" bezeichnet) im Wesentlichen im rechten Winkel zu der Oberfläche des Bauteils 1 die Ausdehnung bzw. das Zusammenziehen des Piezoelementes 2' sich einer Biegeverformung bzw. Schwingung des zu dämpfenden Bauteils 1 entgegensetzt. Die Wirkungsweise eines derartigen, herkömmlichen d-31-Piezoaktors ist um so größer, je großflächiger das Piezoelement 2' ausgestaltet ist und um so mehr derartige Piezoaktoren 9 an dem zu dämpfenden Bauteil 1 vorgesehen sind. Hinsichtlich der Funktionsweise derartiger Piezoaktoren wird auf die Offenbarung der DE 198 01 392 C2 insbesondere hinsichtlich der piezoelektrischen Materialien und der Art von vorhandenen Piezoaktoren Bezug genommen.
• In 2 ist schematisch in einer Seitenansicht eine Schwingungsdämpfungseinrichtung eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Piezoaktor 10 an einem flächigen Bauteil 1 dargestellt. Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen, bekannten Piezoaktor 9 zur Dämpfung von Schwingungen eines flächigen Bauteils 1 wird erfindungsgemäß das piezoelektrische Element 2 derart an der Oberfläche des Bauteils 1 befestigt, dass eine zur Oberfläche des Bauteils 1 im Wesentlichen rechtwinklige Verformung des Elementes 2 übertragbar ist, entsprechend der Richtung der Polarisation ("+/–"-Richtung in 2) einer an das piezoelektrische Element 2 angelegten Versorgungsspannung. Dies ist mit dem Kräftepfeil F in 2 veranschaulicht, welcher nicht längs der Oberfläche des flächigen Bauteils 1, sondern quer dazu verläuft. Derartige piezoelektrische Elemente 2 werden auch als d-33-Piezoelemente bezeichnet, was so viel bedeutet, dass sie die Ausdehnung und Kontraktion des piezoelektrischen Materials in Richtung der Polarisation einer angelegten Spannung ausnutzen.
• Die erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungseinrichtung weist mindestens einen Piezoaktor 10 auf, welcher vorzugsweise im Randbereich 5 des flächigen Bauteils 1 beispielsweise in der Nähe eines Rahmenteils 8 oder Randprofils angeordnet ist. Die Ausnutzung des d-33-Piezoeffektes hat den Vorteil, dass größere Wege bei der Ausdehnung bzw. Kontraktion genutzt werden können, und somit größere Gegen-Kräfte bei einer relativ kleinen Flächenausdehnung des piezoelektrischen Elementes 2 realisierbar sind. Da die Ausdehnung in Richtung der Polarisation einer angelegten Spannung an dem piezoelektrischen Element 2 aufgrund elektrischer Ladungsverschiebungen in dem Material größer ist als ihr gleichzeitig dazu auftretendes Schrumpfen quer dazu (wie in 1 mit dem Pfeil F gekennzeichnet), können mittels des erfindungsgemäßen d-33-Piezoaktors größere Wirkungen erzielt werden als mit einem herkömmlichen d-31-Piezoaktor (vgl. 1), bei dem die Schrumpfung in einer Richtung parallel zur Oberfläche des flächigen Bauteils 1 ausgenutzt wird.
• Das piezoelektrische Element 2 ist bei dem erfindungsgemäßen Piezoaktor 10 in 2 über eine Halterung 3 an dem Bauteil 1 montiert, welche das Piezoelement 2 mit einem Abschnitt übergreift und selbst mittels eines Befestigungsmittels 4, wie z. B. einer Schraube, einer Niete oder einer Klebung, kraftschlüssig an der Oberfläche des Bauteils 1 befestigt ist. Die kraftschlüssige Befestigung der Halterung 3 über einen flächigen Befestigungsabschnitt ermöglicht es, die Ausdehnung des Elementes 2 in Biegekräfte in dem Bauteil 1 zu übertragen. Die erfindungsgemäße Schwingungsdämpfungseinrichtung 10 kann auch nachträglich an bestehende Bauteile bzw. Fahrzeugkarosserien nachgerüstet werden. Durch die größere Wirkung des erfindungsgemäß ausgenutzten d-33-Piezoeffektes können die Piezoaktoren 10 in einer geringeren Anzahl als bisher vorgesehen werden, benötigen eine geringere Fläche und können zudem auch in relativ steifen Randbereichen 5 der Bauteile 1 montiert werden. Dies spart nicht nur Gewicht, sondern die Spannungsverteilung ist in den Bauteilen auch homogener als bisher, und eine größere Zuverlässigkeit der Dämpfung von Resonanzen in den Bauteilen und damit im gesamten Fahrzeug ist gegeben. Bekanntermaßen kann ein Piezoelement 2 nicht nur zur aktiven Schwingungsdämpfung, als Piezoaktor 10, genutzt werden, sondern ebenso zur Erfassung von Schwingungen des flächigen Bauteils. Diese Sensorfunktion von Piezoelementen und insbesondere von dem erfindungsgemäßen Piezoaktor 10 kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, eine automatische, adaptive Steuerung einer Schwingungsdämpfung zu realisieren. Durch entsprechende Steuerschaltungen (in 2 nicht dargestellt) kann beispielsweise die Steuerung bei Überschreiten von bestimmten Grenzwerten in den Schwingungen eines Bauteils einzelne Piezoaktoren 10 aktivieren, entsprechend den jeweils auftretenden, schwingungsbedingten Biegekräften.
• In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung in einer schematischen Draufsicht wiedergegeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug 13 mit einer Schwingungs dämpfungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet, wobei vier Piezoaktoren 10 an einer Bodenplatte 12 bzw. einem Chassis des Fahrzeugs 13 montiert sind. Die Piezoaktoren 10 können beispielsweise solche Piezoaktoren sein, wie sie in 2 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt sind. Die Piezoaktoren 10 sind an jeweiligen Randbereichen 5 der Bodenplatte 12 angeordnet und über Verbindungsleitungen 14 mit einer zentralen Steuerung 7 verbunden. Die zentrale Steuerung 7 ist im seitlichen hinteren Bereich des Fahrzeuges angeordnet und weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Sensorik 6 auf, die beispielsweise mittels einer spezifischen Sensorschaltung in der Steuerung 7 implementiert ist. Die Sensorik 6 dient der Erfassung und Verarbeitung von Schwingungsinformationen, welche im Fahrbetrieb des Fahrzeuges 13 in der Bodenplatte 12 auftreten. In Abhängigkeit von diesen erfassten Schwingungen wird die Schwingungsdämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Steuerung 7 aktiviert, indem gezielt Gegenschwingungen an einem oder an mehreren der Piezoaktoren 10 erzeugt werden. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Piezoaktoren 10 unter Ausnutzung des d-33-Piezoeffektes (Ausdehnung bzw. Zusammenziehung in Richtung der Polarisation der Spannung) realisiert sind, können die Aktoren 10 auch am relativ steifen Randbereich 5 der Bodenplatte 12 in der Nähe eines profilartigen Rahmens 8 angeordnet sein. Die Anzahl der erforderlichen Piezoaktoren 10 ist gegenüber herkömmlichen Systemen reduziert.
• Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und kann eine andere Anzahl von Piezoaktoren 10 umfassen. Gleichermaßen kann die Position der Piezoaktoren 10 je nach Bedarfsfall entsprechend dem jeweils zu dämpfenden Bauteil anders sein. Zudem kann ein anderer konstruktiver Aufbau des Piezoaktors 10 gemäß der Erfindung vorgesehen sein, z. B. eine schellenartige Halterung 3, die nicht L-förmig ist wie in dem Ausführungsbeispiel der 2, sondern eine Z-förmige Grundform aufweist oder dergleichen. Die Art der Befestigung der Halte rung zur Klemmung des piezoelektrischen Elementes 2 kann sich gegenüber der dargestellten Befestigungsart unterscheiden und beispielsweise durch Klebung, Nietung oder andere Befestigungsmittel oder einer Kombination hiervon realisiert sein.
• Sämtliche in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen sowie in der Zeichnung dargestellten Merkmale und Elemente können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (11)

1. Schwingungsdämpfungseinrichtung zur aktiven Dämpfung von einem mindestens bereichsweise flächigen Bauteil (1), insbesondere von flächigen Karosseriebereichen, eines Fahrzeugs, mit mindestens einem piezoelektrischen Element (2), dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2) derart über eine schellenartige, das Piezo-Element (2) übergreifende Halterung (3) an einer Oberfläche des Bauteils (1) befestigt ist, dass eine zur Oberfläche des Bauteils (1) im Wesentlichen rechtwinklige Verformung des piezoelektrischen Elements (2) auf das flächige Bauteil (1) zu seiner Dämpfung entsprechend der Richtung der Polarisation einer an das piezoelektrische Element (2) angelegten Versorgungsspannung über die Halterung (3) in Biegekräfte in dem Bauteil (1) großflächig übertragbar ist.
2. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schellenartige Halterung (3) mit einem Verbindungsmittel (4) an der Oberfläche des flächigen Bauteils (1) befestigt ist.
3. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2) in einem Randbereich (5) des zu dämpfenden Bauteils (1) mit im Vergleich zum Mittenbereich relativ hoher mechanischer Stei figkeit angeordnet ist.
4. Schwingungsdämpfungseinrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorik (6) zur Erfassung von auftretenden Schwingungen und Resonanzen des Bauteils (1) vorgesehen ist.
5. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (7) vorgesehen ist, die angepasst ist zur adaptiven, automatischen Dämpfung von Schwingungen des flächigen Bauteils (1).
6. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine piezoelektrische Element (2) ein d-33-Piezoelement ist.
7. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2) durch Klemmung an der Oberfläche des flächigen Bauteils (1) befestigt ist.
8. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2) in der Nähe eines versteiften Rahmenteils (8) des flächigen Bauteils (1) angeordnet ist.
9. Fahrzeug mit einer Karosserie, welche resonanzempfindliche, flächige Bereiche und/oder Bauteile (1) aufweist und Mittel zur aktiven Schwingungsdämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schwingungsdämpfungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 vorgesehen ist.
10. Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerung (7) vorgesehen ist zur selbsttätigen, adaptiven Ermittlung und Dämpfung von auftretenden Schwingungen in den resonanzempfindlichen Bereichen oder Bauteilen (1) des Fahrzeugs.
11. Fahrzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugboden (12) der Karosserie mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 versehen ist, wobei eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (2) im Randbereich (5) des Bodens (12) vorgesehen ist.