-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
BEREICH DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft den Bereich der Steuerung von Schwingungen. Insbesondere
betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur passiven und zur aktiven Bekämpfung von
Lärm, Schwingung
und Hartlauf in Motorfahrzeugen.
-
BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
-
Schwingung
und akustische Geräusche
in Motorfahrzeugen stellen ein seit langem vorhandenes Problem bei
der Kraftfahrzeugindustrie dar, und beständig wird versucht, die Schwingungs-
und Lärmpegel
zu senken. In der Technik ist es bekannt, akustische Geräusche durch
Verringerung der Schwingungen der den Motorraum von dem Insassenraum
trennenden Platten, beispielsweise eines Armaturenbretts oder einer
Feuerschutzwand, zu vermindern und die Übertragung von Schwingungen durch
die Platten hindurch zu verhindern, um einen niedrigeren akustischen
Geräuschpegel
in Motorfahrzeugen zu erreichen. Beispielsweise lässt sich die
Steifigkeit der Platte durch Vergrößern der Dicke der Platte oder
durch Vorsehen von Rippen und/oder Wülsten in der Platte vergrößern. Alternativ
oder des weiteren wird eine Folie aus Asphalt mit der Platte wärmeverklebt,
oder auf die Platte wird viskoelastisches Material aufgesprüht, um der
Platte eine Dämpfungseigenschaft
zu verleihen. Sehr bekanntermaßen
sind diese Verfahren bei der Verminderung der Durchlässigkeit
der Platte für
Schwingungen effektiv.
-
Jedoch
treten bei den vorstehenden Maßnahmen
innere Probleme auf, beispielsweise, dass sich unvermeidlicherweise
das Gewicht der Fahrzeugkarosserie erhöht. Außerdem verkleinert sich durch
die entstandene Vergrößerung der
Plattendicke der für
den Insassenraum verfügbare
Platz. Durch die entstandene Zunahme der Plattenmasse nimmt auch
die Resonanzfrequenz der Platte derart ab, dass eine Abschirmung
von Geräuschen
mit niedriger Frequenz nicht in befriedigender Weise erzielt werden
kann.
-
Angesichts
dieser Probleme beim Stand der Technik wird mit der vorliegenden
Erfindung für
die passive und aktive Steuerung von Schwingungen zwecks Verminderung
der Schwingung gesorgt, indem piezoelektrische Verformungssteller
verwendet werden, um die Schwingung einer benachbarten Konstruktion
(beispielsweise eines Motorsteuerdeckels) passiv aufzunehmen und
abzuleiten, oder aktive Antriebssteller, um einer Strukturbewegung und/oder
einer Schwingung entgegenzuwirken.
-
Piezoelektrizität ist eine
Eigenschaft von bestimmten Klassen kristalliner Materialien, zu
denen natürliche
Kristalle von Quarz, Rochellesalz und Turmalin sowie künstlich
hergestellte Keramiken wie Bariumtitanat und Bleizirkonattitanate
(d.h. PZT) gehören.
Wenn mechanischer Druck (beispielsweise durch Drücken, Zusammenpressen, Strecken
usw.) auf ein piezolelektrisches Material ausgeübt wird, erzeugt die Kristallstruktur
eine Spannung, die proportional dem aufgebrachten Druck ist. Umgekehrt, wenn
ein elektrisches Feld angelegt wird, ändert die Kristallstruktur
die Form, wodurch mithin Dimensionsänderungen in dem Material erzeugt
werden.
-
In
den meisten Fällen
kann das gleiche Element zur Erfüllung
von jeder der beiden Aufgaben verwendet werden. Wenn eine positive
Spannung in der z-Richtung
an ein piezoelektrisches Material angelegt wird, dehnt sich ein
festes, rechteckiges Teil in der einen Richtung (z) aus und zieht
sich in den beiden anderen (x und y) zusammen; wenn die Spannung
umgekehrt wird, zieht sich das Teil in der z-Richtung zusammen und
dehnt sich in der x- und der y-Richtung aus. Mithin wandeln piezoelektrische Motoren
(d.h. Steller) elektrische Energie in mechanische Energie um, und
piezoelektrische Generatoren (d.h. Sensoren) wandeln mechanische
Energie in elektrische Energie um.
-
Ein
bimorpher piezolelektrischer Steller umfasst zwei flache, dünne Schichten
aus piezolelektrischem Material, die dauerhaft miteinander verklebt und
phasenverschoben verdrahtet sind. Wenn sich eine Schicht ausdehnt,
zieht sich die andere Schicht zusammen, wodurch sich der Steller ähnlich wie
ein Bimetallstreifen verbiegt. Im Jahre 1995 wurde diese piezoelektronische
Doppelschichttechnik bei ACX in Cambridge, Massachusetts, nunmehr
ein Bereich von Cymer, Inc., mit einem passiven Resonanzkreis zur
Verminderung von Schwingungen in Skiern verwendet, die als Ski K2 "Four" vertrieben werden.
Bei der gleichen Firma werden zur Zeit piezoelektrische Steller
mit einem aktiven DSP-Steuersystem zur Verminderung von durch Turbulenzen
bewirkten Schwingungen in den Hecks von sehr schnellen Düsenflugzeugen
verwendet.
-
Die
Steuerung von Schwingungen und Lärm mit
Hilfe piezolelektrischer Sensoren und/oder Steller, die an Platten
befestigt sind, wie sie beispielsweise in Motorfahrzeugen, Düsentriebwerken
oder Waschmaschinen zu finden sind, ist in der Technik bekannt.
Beispielsweise sind in dem USA-Patent Nr. 5,458,222 mit dem Titel "Active Vibration
Control Of Structures Undergoing Bending Vibrations" piezoelektrische
Messgrößenwandler
an Platten offenbart, beispielsweise an Düsentriebwerkkanälen oder Waschmaschinenplatten,
die piezoelektrisch durch ein AC-Signal betätigt werden, um eine Konstruktion derart
vorzuspannen, dass Biegeschwingungen gelöscht werden.
-
In
dem USA-Patent Nr. 5,498,127 mit dem Titel "Active Acoustic Liner" ist eine starre
Rückwand offenbart,
welche eine piezoelektrische Platte um einen Ansauglüfterbereich
herum trägt,
die zur Verminderung des Lärms
in einem Düsentriebwerk
angesteuert wird.
-
In
dem USA-Patent Nr. 5,812,684 mit dem Titel "Passenger Compartment Noise Attenuation
Apparatus For Use In A Motor Vehicle" sind ein piezoelektrischer Sensor und
ein piezoelektrischer Steller offenbart, die an einer seitlichen
Glasscheibe eines Automobils an Stellen entlang einem grundsätzlichen Schwingungsknotenpunkt
befestigt sind, wobei die Steller in Gegenphase zu einem Signal
in Schwingung versetzt werden, welches von dem Sensor erzeugt wird.
-
In
dem USA-Patent Nr. 6,138,996 mit dem Titel "Vibration Control Device For Automotive
Panels" ist ein
piezoelektrisches Element offenbart, das zur Kompensierung einer
durch Schwingung erzeugten Spannung in der Platte verwendet wird,
wodurch die Steifigkeit der Platte effektiv zunimmt. In dem Patent ist
auch die Verwendung eines Resonanzkreises zur Verminderung der Schwingung
offenbart.
-
In
dem USA-Patent Nr. 6,178,246 mit dem Titel "Apparatus For The Active Suppression
Of Noise Radiated By A Surface" sind
in Axialrichtung ansprechfähige
piezoelektrische Lärmsensoren
und ein Lärmbekämpfungssteller
für eine
Fahrzeugkarosseriewand offenbart. Des weiteren sind in den USA-Patenten
Nr. 5,656,882, Nr. 5,687,462 und Nr. 5,857,694 piezoelektrische
Schalldämpfer
offenbart, die für
zahlreiche Anwendungszwecke geeignet sind.
-
In
dem USA-Patent Nr. 5,783,898 mit dem Titel "Piezoelectric Shunts for Simultaneous
Vibration Reduction and Damping of Multiple Vibration Nodes" ist eine Vorrichtung
mit einem piezoelektrischen Verbindungsteil offenbart, das mit einem
Nebenschlussschaltung verbunden ist, zu dem mehrere Energie ableitende
Schaltungselemente gehören,
die auf jeweilige Schwingungsfrequenzen abgestimmt sind.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Steuervorrichtung für Resonanzschwingungen für einen
Motordeckel oder Getriebedeckel bereitgestellt, mit:
einem
an einer Fläche
des Motordeckels oder Getriebedeckels befestigten piezoelektrischen
Verformungssteller und
einem Resonanzkreis, der mit dem piezoelektrischen Verformungssteller
zusammenwirkt, um die durch die vom Getriebe oder von der Kette
eingebrachte Schwingung entstehende strukturelle Bewegung oder Schwingung
des Motor- oder Getriebedeckels zu steuern, aufzunehmen oder abzuleiten,
und der einen analogen Resonanzkreis umfasst, der auf eine Resonanzfrequenz
des Motordeckels oder Getriebedeckels abgestimmt ist, die gesteuert
werden soll,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung für Resonanzschwingungen
des weiteren einen piezoelektrischen Gegenkraftsteller mit einem
an den Resonanzkreis angeschlossenen Eingang umfasst, derart dass
dann, wenn der Schaltkreis bei Resonanz durch den piezoelektrischen
Verformungssteller angesteuert wird, der piezoelektrische Gegenkraftsteller
derart angesteuert wird, dass er eine Löschkraft auf den Motor- oder
den Getriebedeckel aufbringt.
-
Mit
dem Resonanzsteuersystem gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Schwingungsproblem und nicht das insbesondere
durch die Kette oder das Getriebe bewirkte Problem des Lärms an sich
direkt angesprochen, um den Verschleiß oder die Ermüdung eines
Getriebe- oder eines Motorsteuerdeckels zu vermindern, um dadurch
die Dauerhaftigkeit der Kraftfahrzeugteile zu erhöhen und
mithin deren Betriebsdauer zu verlängern.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Motordeckels mit einer eingebauten
Schwingungssteuervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
2 zeigt
ein Ablaufschema einer passiven Vorrichtung zur Steuerung von Schwingungen.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Durch
die Steuerung der dynamischen Verlagerung sowohl durch aktive wie
auch passive Lärmbekämpfungsstrategien
werden die Lärm-,
Schwingungs- und Hartlaufmerkmale (NVH) von Kraftfahrzeugkonstruktionen
sehr stark herabgesetzt, und der Luftschall wird auf Pegel weit
unterhalb des Grundgeräuschs
vermindert, wodurch effektiv die Anregungsanteile von der Kette
oder dem Getriebes (und von anderen) an den NVH insgesamt beseitigt
werden. Die vorliegende Erfindung umfasst Anwendungen der Schwingungssteuerelemente
an Kraftfahrzeugen, um das Problem der durch das Getriebe oder die
Kette bewirkten Schwingung anzugehen.
-
Die
vorliegende Erfindung umfasst Vorrichtungen, welche für eine Verminderung
der NVH durch Schwingungssteuerung sorgen. Bei den hier offenbarten
Vorrichtungen werden piezoelektrische Verformungssteller verwendet,
welche an der schwingenden Konstruktion befestigt sind. Typischerweise erfolgt eine
Strukturanalyse zur Feststellung der Lagestelle und der Form der
schwingenden Konstruktion, und die Steller werden gemäß Verfahren,
die in der Technik wohlbekannt sind, auf der Basis dieser Analyse
bemessen und angeordnet. Die Analyse liefert auch die kritischen
Schwingungsfrequenzen und die diesen Frequenzen zugeordneten NVH.
-
In 1 ist
eine schematische Ansicht bezüglich
der allgemeinen Anwendung des Schwingungssteuersystems gemäß der vorliegenden
Erfindung auf die vorderen Deckel 1 eines Motors gezeigt. Die
Erfindung umfasst eine (nicht gezeigte) Steuerschaltung, bei welcher
der piezoelektrische Verformungssteller 2 zur Erzeugung
einer Reaktion auf eine Schwingung der Konstruktion verwendet wird. Da
der piezoelektrische Verformungssteller 2 ein piezoelektrisches
Material umfasst, kann er zum Abfühlen einer Verformung wie auch
zu deren Erzeugung verwendet werden.
-
Zwar
zeigen die folgenden Beispiele die Verwendung der vorliegenden Erfindung
beim Steuern der Schwingung eines vorderen Motordeckels (oder Steuerkettendeckels),
jedoch ist für
den Fachmann aus der vorliegenden Offenbarung erkennbar, dass sich
die Erfindung auf eine große
Anzahl anderer Konstruktionen von Kraftfahrzeugmotoren oder Antriebssträngen, beispielsweise
auf Ventildeckel, Getriebedeckel, Verteilergetriebe- oder Differentialgehäusedeckel
oder jede andere Art von Antriebsstrangdeckel anwenden lässt, wo
eine von der Kette oder dem Getriebe bewirkte Schwingung bekämpft werden
muss. Der Begriff "Motordeckel" oder "Getriebedeckel" wird hier zur Beschreibung
aller dieser Konstruktionen verwendet.
-
In 1 und 2 wird
bei einem Resonanzsteuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
ein piezoelektrischer Verformungssteller 2 verwendet, welcher
an einer Fläche
des Motordeckels 1, vorzugsweise angrenzend an einen Resonanzschwingungspunkt 4,
befestigt ist. Der Verformungssteller 2 ist vorzugsweise
mit der Fläche
des Motordeckels 1 verklebt oder in ähnlicher Weise auf dieser angebracht
und dehnt sich als Reaktion auf eine Ansteuerspannung in ebener
Richtung aus und zieht sich ebenso zusammen und bringt dadurch eine Verformung
auf die Fläche
des Motordeckels 1 auf und bewirkt mithin, dass sich der
Deckel biegt oder verbiegt. Gleichzeitig erzeugt das piezoelektrische Element,
wenn sich der Deckel als Reaktion auf die von dem Getriebe oder
der Kette eingebrachte Schwingung biegt oder verbiegt, als Reaktion
auf darauf ausgeübte
Kräfte
eine Spannung. Mit dem Verformungssteller ist ein Steuerkreis zum
elektrischen Zusammenwirken mit dem piezoelektrischen Verformungssteller 2 funktionsmäßig verbunden,
um eine Bewegung oder Schwingung der Konstruktion des Motordeckels 1,
die von einer vom Getriebe oder der Kette eingebrachten Schwingung
herrührt,
aufzunehmen oder abzuleiten. Der Steuerkreis umfasst einen analogen
Resonanzkreis 26, der auf eine Resonanzfrequenz des Motordeckels
abgestimmt ist, welche gesteuert werden soll. Wie in der Technik
bekannt ist, könnte
der passive Resonanzkreis beispielsweise einen Widerstandsinduktor-
(RL), einen Widerstandskondensator- (RC) oder einen Induktorkondensatorkreis
(LC) oder einen Kreis mit allen drei Elementen (RLC) umfassen. Bei
dieser Ausführungsform
kann die Frequenz des Schwingungssteuerkreises vorzugsweise einer
einzigen Schwingungsresonanzfrequenz der Konstruktion entsprechen – beispielsweise
schwingt ein Steuerdeckel eines Ford-Motors 2.5 L V-6 mit 2200 Hz,
obwohl auch mehrere Resonanzkreise innerhalb der Lehren der Erfindung
möglich
sein könnten.
Der Bereich der Frequenzen, auf welche der Kreis anspricht (die
Bandbreite) kann, wie in der Technik bekannt ist, auch als eine
Frage der Konstruktion variiert werden – die Konstruktion des Kreises
ist ein Kompromiss zwischen der effektiven Dämpfung und der funktionellen Bandbreite
(Q-Faktor).
-
Wenn
der Motordeckel 1 mit der festen Resonanzfrequenz angeregt
wird, wandelt der Steller 2 die entstandene mechanische
Energieeingabe in elektrische Energie um, und der Steller 2 erzeugt eine
Spannung. Die Spannung wird in den passiven Resonanzkreis 26 übertragen
und die Schaltung schwingt, wenn die Spannung an der oder nahe der Resonanzfrequenz
variiert, für
welche eine Dämpfung
erwünscht
ist. Dadurch wird die Energie in dem Resonanzkreis abgeleitet, wodurch
effektiv eine Dämpfung
in das mechanische System eingebracht wird.
-
Erfindungsgemäß legt der
Resonanzkreis eine Gegenspannung an einen zweiten piezoelektrischen
Verformungssteller an, wodurch sich dieser biegt und der Schwingung
entgegenwirkt. Der abfühlende
Steller und der entgegenwirkende Steller können in der bei 2 gezeigten
Weise als ein einziges Paket befestigt werden oder könnten in
der bei 2 bzw. 3 gezeigten Weise getrennte, nahe
beieinander angeordnete Steller sein.
-
Durch
das Einbringen dieser Dämpfung
werden folglich mit der vorliegenden Erfindung die NVH-Merkmale
des Motordeckels vermindert, wodurch die Dauerhaftigkeit des Motordeckels
erhöht wird
und mithin die Betriebsdauer des Teils verlängert wird.
-
Bei
einer alternativen Ausführungsform
nutzt das System wahlweise ein geschlossenes Regelkreissystem mit
mehreren Rückkopplungseingängen von
einem oder von mehreren Sensoren und/oder Datensignale einer Motorsteuereinheit.
Bei dieser Ausführungsform
wird ein aktives Schwingungssteuersystem mit voller Rückkopplung
verwendet, bei welchem ein oder mehrere Steller an schwingungsmäßig aktiven
Stellen an den Konstruktionen angebracht sind, an denen die Schwingung
gesteuert werden soll. Wieder in 1 ist der
Verformungssteller 2 an einem Schwingungspunkt 4 ist
mit der Fläche
des Motordeckels 1 verklebt oder in ähnlicher Weise auf dieser angebracht.
Das System treibt den Steller 2 aktiv an, um der Strukturbewegung
entgegenzuwirken und die Rückkopplungsreaktion
zu minimieren.
-
Dieses
Verfahren zur aktiven Steuerung ist insbesondere dann hocheffektiv,
wenn weitere Informationen (d.h. anfängliche Annahmen) über die
Anregungsfrequenz, wie beispielsweise Informationen von einem Beschleunigungsmesser 3,
enthalten sind. Bei durch die Kette eingebrachter Anregung steht
leicht eine gemessene oder errechnete Anregungsfrequenz (d.h. Tonhöhenfrequenz)
zur Verfügung.
Bei einem voll entwickelten System kann auch ein volles Vorwärtsregelungssystem
verwendet werden, das nur auf den bekannten Informationen über die
Anregung durch die Kette beruht.
-
Demgemäß versteht
es sich, dass die Ausführungsformen
der hier beschriebenen Erfindung die Anwendung der Prinzipien der
Erfindung lediglich veranschaulichen. Verweise, die hier auf Einzelheiten
der dargestellten Ausführungsformen
erfolgen, sollen den Umfang der Ansprüche nicht einschränken, in
welchen diese als für
die Erfindung wesentlich betrachteten Merkmale selbst aufgezählt sind.