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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an
einer rotierenden Welle.
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Sie
eignet sich besonders für
Wellen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, kann jedoch überall dort
eingesetzt werden, wo Schwingungen auftreten.
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Eine
bekannte und stark verbreitete Maßnahme zur Minderung oder Beruhigung
unerwünschter
Schwingungen liegt in der Verwendung von sogenannten Tilgern, mit
denen einem schwingungsfähigen
System je nach Abstimmung und Anordnung des Tilgers bei bestimmten
Schwingungsfrequenzen mechanisch Energie entzogen werden kann. In
der Praxis werden überwiegend
Feder-Masse-Schwinger mit einem Freiheitsgrad eingesetzt. Die Abstimmung des
Tilgers, d.h. dessen Eigenfrequenz orientiert sich an der zu tilgenden
Betriebsfrequenz. Bei einer zu Biegeschwingungen angeregten Welle
kann dies beispielsweise die erste Eigenfrequenz derselben sein.
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Neben
ungedämpften
Tilgern, mit denen sich im Idealfall bei der Abstimmungsfrequenz
eine Auslöschung
der unerwünschten
Schwingungsamplitude erzielen lässt,
kommen auch gedämpfte
Tilger zum Einsatz, bei denen durch die Dämpfung Wärme erzeugt und somit Energie
aus dem Gesamtsystem an die Umgebung abgeleitet wird. Mit solchen
Tilgern lässt
sich eine vollständige
Auslöschung
nicht verwirklichen. Ziel der Auslegung gedämpfter Tilger ist vielmehr,
in einem möglichst
breiten Frequenzbereich möglichst
kleine Amplituden zu erreichen um unerwünschte Schwingungen bei beliebiger
deterministischer oder auch stochastischer Erregung zu mindern.
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Die
Anordnung und Applizierung von mechanischen Tilgermassen gestaltet
sich in der Praxis aufgrund des Raumbedarfes des zusätzlichen
Schwingers oft schwierig. Überdies
bedeutet die Verwendung einer Tilgermasse stets eine Vergrößerung der Gesamtmasse
des schwingungsfähigen
Systems. Gerade bei nicht ortsgebundenen Systemen wie Fahrzeugen
ist eine solche Gewichtserhöhung
unerwünscht,
da sie tendenziell eine Erhöhung
des Energiebedarfs zur Fortbewegung impliziert.
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Um
diesem Problem zu begegnen, ist es seit geraumer Zeit bekannt, zur
aktiven Schwingungsdämpfung
so genannte piezoelektrische Elemente als Aktoren in Anwendung zu
bringen, welche geeignet sind, bei entsprechender Ansteuerung einer
bestimmten Deformation entgegenzuwirken (
DE 34 31 776 A1 ,
DE 689 24 700 T2 ,
DE 41 16 270 ,
DE 197 35 649 A1 ,
JP 4-165118 ,
US 5.315.203 ). Ferner ist es bekannt,
Piezomaterialien zur passiven Dämpfung von
besagten Schwingungen zu verwenden, wobei die über den Piezoeffekt erzeugten
Spannungsgradienten über
einen Widerstand kurz geschaltet werden und damit die Deformation
in Wärme
umgeschaltet wird (vgl.
DE
197 35 649 A1 , Spalte 1, Zeilen 34–41).
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Dämpfung
von Schwingungen an einer rotierenden Welle zu schaffen, die bei
geringem Gewicht und flexibler Verwendbarkeit eine kostengünstige Möglichkeit
zur Dämpfung
von Schwingungen bietet.
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Ausgehend
von einer Vorrichtung zur Dämpfung
von Schwingungen, mit einem applizierbaren Element, das nach dem
piezoelektrischen Effekt arbeitet und mit elektrischen Anschlüssen versehen
ist, und mit einem elektrischen Schaltkreis mit mindestens einem
wärmedissipierenden
Element, wobei der elektrische Schaltkreis mit den elektrischen
Anschlüssen
derart verbunden ist, dass in dem piezoelektischen Element erzeugte
elektrische Energie zu dem mindestens einen wärmedissipierenden Element geleitet
wird, wird die gestellte Aufgabe demnach dadurch gelöst, dass
Schwingungen an einer Welle gedämpft
werden, indem das mit dem wärmedissipierenden
Element verbundene applizierbare Element an der Welle appliziert
ist.
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Wie
bereits oben dargelegt, erzeugen piezoelektrische Elemente bei einer
Verzerrung ihrer Struktur elektrische Ladungen. Dieser Effekt wird
beispielsweise zur Erfassung von Dehnungen in Drucksensoren verwendet.
Im vorliegenden Fall sind jedoch die Anschlüsse des piezoelektrischen Elementes über einen
wärmedissipierendes
Element, z. B. einen elektrischen Widerstand miteinander verbunden,
so dass die einem schwingenden System mittels des piezoelektrischen
Elementes entzogene Energie nicht vollständig in das System zurückgeleitet
sondern in Wärmeenergie
umgesetzt wird. Dem schwingenden System wird damit Energie entzogen,
was zur Folge hat, dass das Gesamtsystem gedämpft wird.
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Dieser
Dämpfungseffekt
wird mit der vorliegenden Erfindung erstmals an einer Welle eingesetzt.
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Die
vorgeschlagene Lösung
ermöglicht
bei Beibehaltung der Dämpfungswirkung
gegenüber
mechanischen Tilgern ein deutlich geringeres Gewicht. Sie ist überdies
flexibel einsetzbar, da die geringeren Abmessungen einen großen Konstruktionsfreiraum zulassen.
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Zur
optimalen Dämpfung
bei sich verändernden
Anregungsfrequenzen, z. B. der Motordrehzahl des Fahrzeuges, ist
der Schaltkreis mit einer Erfassungs- und Einstellvorrichtung zur
Erfassung der Anregungsfrequenz gekoppelt, welche die elektrischen Parameter
des Schaltkreises, beispielsweise den elektrischen Widerstand des
wärmedissipierenden Elementes,
in Abhängigkeit
der Anregungsfrequenz verstellt. Ebenso kann die Rückführung des
Signals eines piezoelektrischen Elementes in ein weiteres piezoelektrisches
Element ausgedehnt werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das nach dem
piezoelektrischen Effekt arbeitende Element als piezokeramische
Folie zur Befestigung an einer Welle ausgebildet, so dass dieses
gerade auch im Bereich stärkerer
Dehnungen noch angebracht werden kann. Zudem erlaubt die Folienform
eine einfache Anbringung des Piezo-Elementes in strukturkonformer
Anordnung an einem Bauteil.
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Vorzugsweise
weist das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Element mindestens
einen piezokeramischen Körper
auf, der oder die in eine Folie zur Befestigung an der Welle eingebettet sind,
wobei jeder piezokeramische Körper über an diesem
vorgesehene Anschlüsse
mit dem Schaltkreis verbunden ist. Durch die der Folie innewohnende
Flexibilität
ergibt sich eine besonders gute Anpassbarkeit an unterschiedlichste
Einbaubedingungen, wobei die piezoelektrischen Körper selbst vergleichsweise
starr ausgebildet sind. Die verschiedenen Körper erlauben in Zusammenwirkung
mit einer entsprechenden Abstimmung des Schaltkreises die Optimierung
für verschiedene
Frequenzbereiche.
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Für eine möglichst
flache Bauform sind nach einer weiteren Ausführungsform der oder die piezoelektrischen
Körper
selbst wiederum als dünnwandige Folienstücke ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist der elektrische Schaltkreis in die Folie integriert, so dass
sich ein besonders einfach zu handhabendes, einheitliches Bauelement ohne
anhängende
Kabel und Komponenten verwirklichen lässt. Die Einzelkomponenten
des Schaltkreises können
in die Folie eingebettet oder in der Art einer flexiblen Platine
unmittelbar an dieser angebracht sein.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird der elektrische Schaltkreis als separates Bauteil unmittelbar
an der Folie angebracht, wodurch ein modularer Aufbau verwirklicht
wird, der zur individuellen, optimierten Anpassung an ein Schwingungsprofil
die Kopplung unterschiedlicher Schaltkreise mit einem piezoelektrischen
Element erlaubt oder auch unterschiedliche Verschaltungen einzelner
piezoelektrischer Körper.
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Für eine besonders
einfache Ausführung wird
der elektrische Schaltkreis allein durch einen elektrischen Widerstand
zur Wärmedissipation
gebildet.
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Zur
Optimierung des Dämpfungsverhaltens weist
der elektrische Schaltkreis vorzugsweise ein auf die zu dämpfende
Frequenz abgestimmtes RCL-Netzwerk bestehend aus Widerständen, Kapazitäten und
Induktivitäten
auf. Prinzipiell können
zur Verfeinerung auch elektronische Bauelemente verwendet werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der elektrische
Schaltkreis für
einzelne piezoelektrische Körper
oder Gruppen solcher piezoelektischen Körper jeweils einen eigenen
elektrischen Widerstand oder ein RCL-Netzwerk auf, der bzw. das mit
den Anschlüssen
des jeweiligen Körpers
oder der jeweiligen Gruppe verbunden ist. Hierdurch lässt sich eine
gegebenenfalls auch richtungsabhängige
Anpassung an unterschiedliche Frequenzen verwirklichen.
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Zur
effektiven Schwingungsdämpfung
wird vorzugsweise das nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende
Element im Bereich der größten Schwingungsamplitude
der für
die Welle relevanten Eigenform angebracht.
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Für einen
optimalen Einsatz bei rotierenden oder nicht-rotierenden Wellen
wird die Folie als hülsenartige
Manschette ausgebildet, welche die Welle vollständig umgibt.
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Wie
bereits einleitend dargetan, bietet sich die Vorrichtung besonders
zur Verwendung an Wellen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen an,
kann jedoch an jeglichen Wellen eingesetzt werden, wo Schwingungen
auftreten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung nun anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
erläutert.
Die Zeichnung zeigt in
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1 ein
Prizipbild einer Fahrzeugwelle mit einer integrierten, d.h. applizierten
piezoelektrischen Dämpfungsvorrichtung;
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2 eine
erste Eigenform einer Biegeschwingung der Welle von 1;
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Dämpfungsvorrichtung;
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Dämpfungsvorrichtung.
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In 1 ist
als Fahrzeugkomponente eine Welle 1 dargestellt, an der
eine semi-passive Dämpfungsvorrichtung
mit einem piezoelektrischen Element 2 und einem Schaltkreis 5 angebracht
ist. Die Dämpfungsvorrichtung
kann dabei wie in den 3 und 4 dargestellt
ausgebildet sein, bei welchen der Schaltkreis 5 in unmittelbarer
Nähe des
piezoelektrischen Elements angeordnet ist. In 1 erfolgt die
Verbindung jedoch über
elektrische Leitungen zu den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen 3 und 4.
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Wie
sich aus dem Zusammenhang der 1 und 2 ergibt,
ist die Dämpfungsvorrichtung
im Bereich der größten Amplituden
der ersten Biegeeigenform der Welle 1 angebracht, in dem
dargestellten Beispiel einer Gelenkwelle etwa in deren Mitte. Die
Dämpfungsvorrichtung
kann allerdings auch für Torsionschwingungen
eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise
erfolgt der Einsatz am Ort der größten Energiedichte.
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Das
piezoelektrische Element 2 ist fest mit der schwingenden
Fahrzeugkomponente verbunden, z. B. durch eine geeignete Verklebung,
so dass Dehnung infolge von Schwingungen auf das piezoelektrische
Element übertragen
werden. Dabei erfolgt eine Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie,
die über
die Anschlüsse 3 und 4 in
den elektrischen Schaltkreis 5, beispielsweise ein Netzwerk aus
Widerständen,
Induktivitäten
und Kapazitäten übertragen
wird. Durch die Umsetzung der elektrischen Energie in Wärme an diesen
elektrischen Komponenten kann dem Gesamtsystem Energie entzogen
werden, wodurch an der schwingenden Fahrzeugkomponente ein Dämpfungseffekt
bewirkt wird.
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Prinzipiell
ist es auch möglich,
durch geeignete Frequenzabstimmung der elektrischen Komponenten,
die als Schwingkreis geschaltet werden können, Energie gegenphasig in
das piezoelektische Element 2 zurückzuführen um so bestimmte Frequenzen
zu tilgen.
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Die
Abstimmung des elektrischen Schaltkreises 5 erfolgt aufgrund
der Eigenfrequenz des betreffenden Bauteils und der elektrischen
Kapazität
des piezoelektrischen Elementes 2. Zur Dämpfung eines weiten
Frequenzbandes wird ein Netzwerk aus Widerstand und Kapazität verwendet,
wobei die Kapazität
allein bereits durch das piezoelektrische Element 2 bereitgestellt
werden kann. Zur Dämpfung
bestimmter Frequenzen wird ein Netzwerk aus Widerstand, Induktivität bzw. Spule
und Kapazität
verwendet, wobei wiederum die Kapazität bereits allein durch das
piezoelektrische Element 2 bewirkt werden kann.
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Bei
dem in 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das piezoelektrische Element 2 als piezokeramische
Folie 10 ausgebildet, die fest auf der Welle 1 appliziert
ist.
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Die
Größe der verwendeten
Folie hängt
stark von der Geometrie des betreffenden Bauteiles ab. Die Folie
wird dementsprechend jeweils an das Bauteil angepaßt, z. B.
an den Krümmungsradius
desselben. Weiterhin können
auch mehrere separate Folien zusammengeschaltet werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 4 weist das nach dem piezoelektrischen Effekt
arbeitende Element 2 mehrere piezokeramischen Körper 21 auf.
Beispielhaft sind hier drei Körper
dargestellt, die in eine Folie 20 zur Befestigung an der
Welle 1 integriert oder eingebettet sind. Die piezoelektrischen Körper 21 selbst
sind wiederum als dünnwandige
Folienstücke
ausgebildet, so daß sich
eine flache Bauform ergibt, d.h. der Wellendurchmesser nicht erheblich
vergrößert wird.
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Die
in Verhältnis
zur flexiblen Einbettungsfolie vergleichsweise starren Folienstücke erstrecken sich
dabei entlang der Welle 1 in deren Längsrichtung, wobei die Folie
in der Art einer Manschette um die Welle gelegt ist. Durch eine
entsprechende Segmentierung der piezoelektrischen Körper läßt sich eine
an die jeweiligen Stukturbedingungen gute Anpassung der Dämpfungsvorrichtung
erreichen, die in einer Weise flächig
bleibt, wie sie mit herkömmlichen Tilgermassen
nicht möglich
ist.
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Dabei
ist jeder piezokeramische Körper 21 über an diesem
vorgesehene elektrische Anschlüsse 23, 24 mit
dem Schaltkreis 5 verbunden, der hier als RCL-Netzwerk 25 ausgebildet
ist. Prinzipbedingt wird eine elektrische Kapazität stets
durch das piezoelektrische Element 2 bereitgestellt, die
wie in 4 gezeigt, um eine zusätzliche Kapazität ergänzt werden kann.
Anstelle des RCL-Netzwerke kann auch ein einzelner elektrischer
Widerstand geschaltet werden. Als elektrische Elemente werden hier
auch elektronische Komponenten verstanden, die gleichfalls in den Schaltkreis
zu einer feineren oder auch an sich verändernde Bedingungen anpassenden
Frequenzabstimmung eingebaut werden können.
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Das
Netzwerk 25 ist ebenfalls in die Folie 20 integriert
oder eingebettet so daß sich
ein einheitliches Bauteil ergibt, das als ein Stück einfach und ohne weitere
Maßnahmen
an die zu dämpfende
Stelle angeklebt wird. In Unterschied zu 1 müssen hier
keine weiteren elektrischen Leitungen mehr verlegt und befestigt
werden.
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Der
elektrische Schaltkreis kann für
einzelne piezoelektrische Körper 21 oder
Gruppen solcher piezoelektischen Körper jeweils einen eigenen
elektrischen Widerstand oder einen eigenen RCL-Netzwerk 25 versehen
werden, der bzw. das mit den Anschlüssen 23, 24 des
jeweiligen Körpers 21 oder
der jeweiligen Gruppe verbunden ist. 4 zeigt
hier beispielhaft die Zusammenfassung mehrerer Körper 21 zu einer Gruppe.
Durch eine individuelle Kopplung einer solchen Gruppe lassen sich
auch unterschiedliche Frequenzbereiche gut dämpfen. Auch können so Richtungsabhängigkeiten
besser berücksichtigt
werden.
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Das
in 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 4 dargestellten dadurch, daß der elektrische
Schaltkreis unmittelbar an der Folie angebracht ist. Die einstückige Bauweise
bleibt so erhalten. Dabei kann jedoch der elektrische Schaltkreis 5,
hier als elektrischer Widerstand 7 ausgebildet, aufgrund
der Modularbauweise einfach ausgetauscht werden. Neben einer verbesserten
Wartungsfreundlichkeit kann durch eine Normierung der Anschlüsse ein
Baukastensystem bereitgestellt werden, das eine individuelle Frequenzoptimierung
bei Verwendung gleicher piezoelektrischer Elemente 2 erlaubt.
Dieses System kann durch weitere piezoelektrische Elemente ausgebaut werden.
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Zur
optimalen Dämpfung
bei sich verändernden
Anregungsfrequenzen, z. B. der Motordrehzahl des Fahrzeuges, wird
eine Vorrichtung zur Erfassung der Anregungsfrequenz vorgesehen.
Anhand der erfaßten
Anregungsfrequenz werden dann die elektrischen Parameter des Schaltkreises,
beispielsweise der elektrische Widerstand des wärmedissipierenden Elementes,
automatisch in Abhängigkeit
der Anregungsfrequenz eingestellt. Ebenso kann die Rückführung des
Signals eines piezoelektrischen Elementes in ein weiteres piezoelektrisches
Element ausgedehnt werden um.
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- 1
- Welle
- 2
- piezoelektrisches
Element
- 3
- erster
elektrischer Anschluß
- 4
- zweiter
elektrischer Anschluß
- 5
- elektrischer
Schaltkreis
- 6
- wärmedissipierendes
Element
- 7
- elektrischer
Widerstand
- 10
- piezokeramische
Folie
- 20
- Folie
- 21
- piezokeramischer
Körper
- 23
- erster
elektrischer Anschluß
- 24
- zweiter
elektrischer Anschluß
- 25
- RCL-Netzwerk