DE19727684C2 - Verwendung zur Abstützung eines Fahrzeugsitzes gegenüber dem Fahrzeugboden bzw. dem Sitzunterbau - Google Patents

Description

Die Erfindung besteht in der Verwendung einer Feder aus zu­ mindest teilweise einer Formgedächtnislegierung nach den Merkmalen des Patentanspruchs.

Zur Darstellung der Dämpfungseigenschaft von bisher verwende­ ten, nicht aus Gedächtnislegierungsmaterial bestehenden Fe­ dern dient unter anderem ein Diagramm, in dem eine Vergröße­ rungsfunktion V über den Schwingungsanregungsfrequenzen eines Fahrzeugsitzes aufgetragen ist (lineares Schwingungssystem). Die vorgenannte Vergrößerungsfunktion V ist ein Maß dafür, wie stark ein Sitz die eingeleiteten Schwingungen verstärkt oder abschwächt. Bei einer Anregung mit nur einer einzigen Frequenz entspricht sie dem Amplitudenverhältnis von Schwin­ gungsantwort und -anregung des Systems. Ein Verhältnis von < 1 bedeutet eine Vergrößerung der Amplitude, ein Verhältnis von < 1 dagegen eine Verminderung derselben.

Ein vorgenanntes Diagramm ist in der Zeichnung dargestellt. Dort zeigt

Fig. 1 eine Vergrößerungsfunktion eines Fahrzeugsitzes mit unterschiedlichen Sitzfederungen/-dämpfungen.

In dem Diagramm ist auf der Ordinate aufgetragen V = Vergrö­ ßerungsfunktion und auf der Abszisse f = Schwingungsfrequenz. Die Dimensionen V und f sind jeweils in eckigen Klammern in dem Diagramm angegeben.

Eingetragen sind insgesamt 3 Kurven für drei unterschiedliche Sitzfederungen. Die Kurve 1 stellt eine Sitzfederung mit niedriger Dämpfung dar, während die Kurve 2 eine Sitzfederung mit hoher Dämpfung wiedergibt. Die Federungen für die Kurven 1 und 2 bestehen aus in der Sitzfederung gebräuchlichen Mate­ rialien wie Federstahl, Polyurethanschaum etc.. Die Kurven in dem Diagramm zeigen, daß der Fahrzeugsitz im Niederfrequenz­ bereich (hier bis ca. 5 bis 6 Hz) die Fahrzeugbewegungen ver­ stärkt und sie bei höheren Frequenzen abschwächt. Im Bereich der Eigenfrequenz des Sitzes (üblicherweise zwischen 2 Hz und 4 Hz) kommt es zu einer besonders großen Verstärkung der An­ regung. Man bezeichnet die Anregungsverstärkung auch als Re­ sonanzüberhöhung und die Eigenfrequenz f_e auch als kritische Frequenz f_krit. Dementsprechend wird der Frequenzbereich dar­ unter als unterkritisch und darüber hinaus als überkritisch bezeichnet. Der Punkt, an dem die Schwingung vermindert wird, das heißt V ≦ 1 liegt bei F = √2 f_krit. Ab diesem Punkt be­ ginnt der Dämmbereich. Die Dämmung sagt aus, wie stark eine Schwingung im überkritischen Frequenzbereich abgeschwächt bzw. gedämmt wird. Sie kann in dem gezeigten Diagramm (überkritischer Bereich) als Abstand zwischen den Kurven und der V = 1-Linie definiert werden.

Bei einer Federung mit relativ hoher Dämpfung, wie sie durch die Kurve 2 gezeigt ist, kommt es im Resonanzbereich zu einer geringen Amplitudenerhöhung. Im überkritischen Bereich fällt die Vergrößerungsfunktion jedoch weniger stark ab als bei ei­ nem schwach gedämpften Sitz, dessen Schwingungsverhalten durch die Kurve 1 in dem Diagramm wiedergegeben ist. Hat die Federung eines Sitzes entsprechend der Kurve 1 eine relativ geringe Dämpfung, ist die Resonanzüberhöhung verhältnismäßig groß; die Dämmung der Schwingung im überkritischen Frequenz­ bereich jedoch deutlich besser. Je stärker die Dämpfung eines solchen schwingungsfähigen Systems ist, desto geringer ist seine Dämmung und umgekehrt.

Es besteht somit ein Zielkonflikt bei der Auslegung einer Sitzfederung. Angestrebt wird eine möglichst optimale Vergrö­ ßerungsfunktion über den gesamten Frequenzbereich, das heißt eine hohe Resonanzdämpfung bei gleichzeitig hohen Dämmungs­ werten. Dies ist jedoch aufgrund der physikalischen Gesetzmä­ ßigkeiten bei den bisher verwendeten Federwerkstoffen nicht möglich. Deshalb stellt bisher jede Sitzfederung/Dämpfung ei­ nen Kompromiß dar, der sich nach der jeweiligen Auslegungs­ philosophie des Sitzentwicklers richtet.

Hier eine Verbesserung zu schaffen, ist das Problem, mit dem sich die Erfindung beschäftigt und die sie durch die Verwen­ dung eines Federmaterials nach den Merkmalen des Patentanspruchs löst.

Das Schwingungsverhalten eines Sitzes mit einer erfindungsge­ mäß verwendeten Feder zeigt in dem Diagramm der Fig. 1 die Kurve 3. Aus dem Vergleich mit den beiden anderen zuvor er­ läuterten Kurven 1 und 2 sorgt die Feder aus dem erfindungs­ gemäß verwendeten Material eindeutig für ein besseres Schwin­ gungsverhalten. So liegt insbesondere eine relativ niedrige Resonanzüberhöhung und trotzdem eine große Dämmung im über­ kritischen Bereich vor. Dieses Schwingungsverhalten stellt gegenüber den bisher mit üblichen Sitzfederungssystemen er­ reichbaren Verhalten eine erhebliche Verbesserung dar.

Zur Erläuterung der Wirkung des verbesserten Schwingungsver­ haltens werden nachstehend diejenigen Eigenschaften einer Formgedächtnislegierung einer näheren Betrachtung unterzogen, die dieses günstige Verhalten ermöglichen.

Formgedächtnislegierungen besitzen einen Formgedächtnisef­ fekt, bei dem zwischen einem thermischen und einem mechani­ schen Formgedächtnis zu unterscheiden ist. Der mechanische Formgedächtniseffekt wird im technischen Sprachgebrauch Su­ per- oder Pseudoelastizität genannt und stellt die Eigen­ schaft des Werkstoffs dar, sich reversibel bis zu hohen Deh­ nungen elastisch verformen zu lassen. Die hierbei zu errei­ chenden Dehnungen betragen bis zu 10% der Ausgangslänge und übertreffen damit die Dehnung von Stählen beispielsweise um das vierzigfache.

Die Erfindung macht von der Besonderheit von Formgedächtnis­ legierungen Gebrauch, die in einem hohen Dämpfungsvermögen dieses Werkstoffs besteht, wenn der Werkstoff bei Betrieb­ stemperatur austenitischen Gefügezustand besitzt.

Wird eine Formgedächtnislegierung im austenitischen Gefüge Zustand mechanisch verformt, zeigt sich zu Beginn ein line­ arelastisches Verhalten. Ab einer gewissen Grenzspannung setzt jedoch die Bildung von spannungsinduzierten Martensit ein. Die Umwandlung von Austenit- in Martensitgefüge voll­ zieht sich bei fast konstanter Spannung (unter einachsiger Beanspruchung), wobei der Martensitanteil proportional zur Verformung ansteigt. Dieser Umwandlungsbereich wird als Mar­ tensitplateu und die Spannung, bei der sich das Gefüge umwan­ delt als Plateauspannung bezeichnet. Ist das Gefüge vollstän­ dig umgewandelt, nimmt die Spannung wieder zu. Oberhalb der Plateauspannung liegt der Werkstoff immer vollkommen marten­ sitisch vor. Der spannungsinduzierte Martensit weist viele innere Grenzflächen und damit eine hohe Werkstoffdämpfung auf.

Bei einer Entlastung aus dem Martensitplateau führt die hohe Werkstoffdämpfung zur Bildung einer Hystereseschleife. Da die Austenit- Martensit-Umwandlung eine gewisse (konstante) Zeit benötigt, liegt in diesem Bereich des Martensitplateaus eine Frequenzabhängigkeit der Dämpfung vor. Bei höheren Frequenzen reagiert der Werkstoff zu träge, um synchron zur stetigen Be- und Entlastung umzuwandeln. Er wandelt nur unvollständig um und hat so einen größeren austenischen Gefügeanteil, der das Dämpfungsverhalten verringert.

Über diese Frequenzabhängigkeit hinaus wird die erwünschte Wirkung auch noch dadurch unterstützt, daß im Resonanzbereich relativ große, im Dämmungsbereich relativ kleine Amplituden anliegen, die im Resonanzbereich die Gefügeumwandlung för­ dern, im Dämmungsbereich dagegen nicht.

In der Zeichnung ist zur Erläuterung ein Diagramm angegeben.

Hier zeigt

Fig. 2 ein Diagramm zu dem schematischen Spannung- Dehnungs­ verhalten einer Formgedächtnislegierung im austeniti­ schen Temperaturbereich.

Mit Erreichen der Proportionalitätsgrenze R_p in dem darge­ stellten Diagramm beginnt der Bereich der plastischen Defor­ mation. Bis zu diesem Punkt ist innerhalb des Martensitpla­ teau-Bereiches eine elastische Verformung theoretisch völlig reversibel unter Vernachlässigung unvermeidlicher Setzeffek­ te. Dieses Verhalten wird als Super- bzw. Pseudoelastizität bezeichnet. In Anlehnung an den bekannten thermischen Formge­ dächtniseffekt wird hier auch von einem mechanischen Formge­ dächtniseffekt gesprochen.

Der Vorgang einer spannungsinduzierten Martensitbildung kann nur bis zu einer oberen Temperaturgrenze M_d (Martensit- Destruction-Temperatur) stattfinden. Oberhalb dieser Tempera­ tur ist die Bildung von Martensit generell nicht möglich, so daß der Werkstoff in diesem Bereich immer austenitisch vor­ liegt.

Eine Formgedächtnislegierung besitzt im Bereich der span­ nungsinduzierten Martensitbildung ein großes Dämpfungspoten­ tial. Die Dämpfung ist dabei frequenzabhängig.

Bei vollständiger Entlastung bei einem Schwingungszyklus im spannungsinduzierbaren Martensitbereich (Martensitplateau in Fig. 2) ist der erzielbare Dämpfungseffekt am größten. Dabei findet ein exponentieller Abfall der Dämpfung mit steigender Frequenz statt. Beim Einsatz von austenitischen Formgedächt­ nislegierungen zu Dämpfungszwecken läßt sich theoretisch das gesamte Martensitplateau (ca. 8% Dehnung bei Zug - und 10 Schiebung bei Torsionsbeanspruchung bei beispielsweise einer Formgedächtnislegierung aus NiTi) bei der Auslegung einer Fe­ der als Dämpfungselement nutzen. Da jedoch mit steigender Dehnung die Effektstabilität und die Dauerfestigkeit stark nachlassen, ist der praktisch nutzbare Dehnungsbereich be­ grenzt. Für praxistaugliche Federn aus Formgedächtnislegie­ rungen sind Dehn- bzw. Schiebungsraten bis max. 2% als rea­ listisch anzusehen.

Eine untere Grenze für den anwendbaren Dehnungsbereich bei zugbeanspruchten Formgedächtnis-Dämpfungselementen stellt der Beginn der Bildung von spannungsinduzierten Martensit bei ca. 1% Dehnung dar. Der linearelastische Bereich unterhalb des Martensitplateaus ist für Dämpfungsanwendungen nicht direkt nutzbar. Das hohe Dämpfungsvermögen unter Zugspannung kann deshalb nur in Anwendungsfällen, bei denen eine hohe stati­ sche Grundlast vorliegt, ausgenutzt werden. Zusätzlich aufge­ brachte dynamische Betriebslasten würden dann gut gedämpft werden.

Die Dämpfungswirkung von Federn aus austenitischen Formge­ dächtnislegierungen beruht generell auf der Dämpfungswirkung des spannungsinduzierten Martensitgefüges. Das Austenitgefüge selbst verfügt über keine nennenswerte Werkstoffdämpfung. Der Dämpfungseffekt des spannungsinduzierten Martensits arbeitet frequenz- und amplitudenabhängig, so daß Federn mit Frequenz­ selektierter Dämpfung aus Formgedächtnislegierungen herstell­ bar sind. Die bei einer erfindungsgemäßen Feder vorhandene relativ geringe schwingungsdämmende Eigenschaft im überkriti­ schen Bereich entsprechend der Fig. 1 erklärt sich insbeson­ dere daraus, daß bei hohen Frequenzen der Martensitplateaube­ reich in dem Diagramm nach Fig. 2 nur in sehr geringem Maße reversibel durchlaufen wird, wodurch nur eine geringe Ver­ lustarbeit auftritt, was wiederum einer geringen Dämmung ent­ spricht.

Die Federkennlinie einer erfindungsgemäß verwendeten Feder aus einer Formgedächtnislegierung ist stets degressiv. Eine nahezu lineare Federkennlinie läßt sich jedoch durch Paral­ lelschaltung mit einer linearen Stahlfeder erreichen. Bei parallelgeschalteten Federn findet eine Mittelbildung der Einzeldämpfungen der beiden Federn statt, wobei die Stahlfe­ der die Gesamtdämpfung der Federpaarung reduziert.

Durch entsprechende geometrische Auslegung der Federn kann aber auch eine durchaus erwünschte progressive Kennung des Federungssystems erreicht werden.

Formgedächtnislegierungen als Material für metallische Dämp­ fungskörper sind bereits in DE 42 28 847 C1 vorgeschlagen worden. Bei diesen Dämpfungskörpern handelt es sich jedoch nicht um Federn, wie sie zur Abstützung von Fahrzeugsitzen auf dem Fahrzeugboden bzw. Sitzunterbau üblicherweise einge­ setzt werden.

Darüber hinaus sind auch bereits Federkerne für Polster, in Sitzmöbeln oder Matratzen, auch mit Bezug auf Fahrzeugsitze aus Formgedächtnislegierungen in DE 42 00 553 C2 vorgeschla­ gen worden. Allerdings kam es dort auf eine dämpfende Eigen­ schaft dieser Federn nicht an, weshalb aus jenem Stand der Technik keine Anregungen zur Verwendung der erfindungsgemäßen Federn zur Abstützung eines Fahrzeugsitzes gegenüber dem Fahrzeugboden bzw. Sitzunterbau abgeleitet werden können.

Ausführungsbeispiele für Anwendungen erfindungsgemäß bei Fahrzeugsitzen eingesetzter Federn sind in der Zeichnung dar­ gestellt.

Es zeigen jeweils schematisch und in Ansicht

Fig. 3 einen Fahrzeugsitz, der über seine Kissenschale 1 über ein vorderes Gelenk 2 gelagert ist und sich hin­ ten über ein Paar Schraubenfedern 3 aus einer TiNi- Legierung als Formgedächtnislegierung auf dem Fahr­ zeugboden abstützt,

Fig. 4 einen Fahrzeugsitz nach Fig. 3, der hinten über eine Blattfeder 4 aus einer Formgedächtnislegierung gegen­ über dem Fahrzeugboden abgestützt ist,

Fig. 5 einen Fahrzeugsitz nach Fig. 3 mit hinteren Federn aus einem Zugdraht 5 aus einer Formgedächtnislegie­ rung, wobei der Zugdraht 5 über Umlenkrollen 6 ver­ läuft, um mit einer relativ großen Länge wirken zu können,

Fig. 6 einen Fahrzeugsitz mit einer Abstützung auf dem Fahr­ zeugboden über vorne und hinten angebrachte Torsions­ federn 7, die an jeweils den Fahrzeugsitz auf dem Fahrzeugboden abstützenden Schwingen angebracht sind. Eine Sitzabstützung mit derartigen Schwingen - ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen Torsionsfedern - ist in DE 44 03 506 A1 ausführlich beschrieben. Dort dient die Abstützung über Schwingen zu einer Sitzhö­ henverstellung. Die Ausführung mit den erfindungsge­ mäßen Torsionsfedern aus einer Formgedächtnislegie­ rung kann ebenfalls sitzhöhenverstellbar gestaltet werden. Anstelle der Torsionsfedern 7 können auch spiralförmige Drehfedern eingesetzt sein.

Als Federn nach der Erfindung eignen sich insbesondere Schrauben-, Blatt-, Spiral- und Zugfedern.

Claims (1)

1. Verwendung einer Feder (3, 4, 5, 7) zum Abstützen eines Kraft­ fahrzeugsitzes gegenüber dem Fahrzeugboden bzw. Sitzunterbau, die zumindest zum Teil aus einer Formgedächtnislegierung mit einem im Betriebstemperaturbereich der Feder austenitisch vor­ liegenden, spannungsinduziert in Martensit umwandelbaren Gefüge (Gefügebereich für Pseudoelastizitätseigenschaft der Formge­ dächtnislegierung) besteht.