DE4116270C2

DE4116270C2 - Dämpfungseinrichtung

Info

Publication number: DE4116270C2
Application number: DE4116270A
Authority: DE
Inventors: Zenji Nakajima; Yoichi Shimahara; Masayuki Yamajo; Takuri Sakurai
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyo Tire Corp
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-17
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2011-05-18
Also published as: DE4116270A1; US5927699A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dämpfungsein richtung zum Verhindern der Übertragung mechanischer Schwin gungen (Schwingungsisolierung) und/oder Steuern mechanischer Schwingungen (Dämpfung).

Die aktive Dämpfungseinrichtung, die einen elektrome chanischen Wandler (oder oszillierendes Element) als Stellor gan (oder Betätigungseinrichtung) zur Umformung elektrischer Schwingung in mechanische Schwingung aufweist, wurde in den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 63-53617 und 63-261300 offenbart. Bei diesen Einrichtungen sind ein Stellorgan und ein Lastsensor hinterneinanderliegend zwischen zwei Bauele menten (Maschine und Karosserie) angeordnet, von denen minde stens das eine eine Schwingungsquelle (Maschine) ist, und ein Beschleunigungssensor ist an der Maschine angebracht. Gemäß dieser Einrichtung wird die mechanische Schwingung einer Schwingungsquelle in eine elektrische Schwingung umgeformt, und der elektro-mechanische Wandler wird in Übereinstimmung mit dem abgegebenen elektrischen Schwingungssignal betrieben. Das zugrundeliegende Prinzip ist jenes, daß die mechanische Schwingung einer Schwingungsquelle durch die aktive mechani sche Schwingung des Stellorgans aufgehoben wird, um die Aus breitung der die Quelle bildenden Schwingung auszuschließen. Als Beispiel eines elektro-mechanischen Wandlers kann hier ein Stapel piezoelektrischer, keramischer Wafers oder Blättchen erwähnt werden.

Eine Dämpfungseinrichtung gemäß Oberbegriff des Patent anspruchs 1 ist aus der DE-38 21 368 A1 (dort insbesondere Fig. 2 und 3) bekannt. Innerhalb des Widerlagers des schwingungsdämpfenden Motorlagers ist eine Aktuatorsäule aus übereinandergeschichteten Piezoelementen mit einer Membran gekoppelt, die sich in einem mit Flüssigkeit gefüllten Ar beitsraum befindet. Die Piezoelemente werden von einer Steu ereinheit elektrisch angesteuert und eine Dickenänderung ad diert sich entlang der Aktuatorsäule auf und ruft eine Hubkraft der Membran hervor. Als wesentlich wird dort angegeben, daß die Aktuatorsäule in unmittelbaren Formschluß mit der Membran steht.

Die piezoelektrischen, keramischen, oszillierenden Sta pelelemente, die in den oben erwähnten Dämpfungsvorrichtungen verwendet werden, liefern jedoch nur eine mikroskopische Ab messungsänderung von etwa maximal 1 µm pro mm des Elements. Andererseits ist beispielsweise die Amplitude der mechani schen Schwingung einer Kraftfahrzeug-Motorhalterung im allge meinen etwa ±0,5 mm bis etwa ±0,05 mm. Deshalb müßte man, um die Übertragung der mechanischen Schwingung eines Motors auf die Karosserie des Kraftfahrzeuges mittels der herkömmli chen aktiven Dämpfungseinrichtung zu verhindern, einen elek tromechanischen Wandler verwenden, der so groß ist wie 10 cm bis sogar 1 m, was nahezu unmöglich ist (vgl. auch Fig. 2 der DE-38 21 368 A1).

Eine Dämpfungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1, bei der jedoch das Stellorgan keine mechanische Verstärkungsein richtung aufweist, die die vom elektro-mechanischen Wandler erzeugte Schwingungsamplitude auf mechanischem Weg vergrö ßert, ist aus der nachveröffentlichten DE 41 10 601 A1 (mit Unionspriorität vom 3. April 1990) bekannt. Weitere Dämp fungseinrichtungen sind aus der JP 59-183 137 (A) sowie aus der im Prioritätsintervall der vorliegenden Anmeldung veröf fentlichten JP 2-261 940 (A) bekannt. Beide Veröffentlichun gen behandeln nicht das genannte Problem der Dämpfung mecha nischer Schwingungen hoher Amplitude.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, von Maschi nen verursachte mechanische Schwingungen hoher Amplitude un ter Einsatz einer bekannten hydraulischen Maschinenhalterung sowie unter Einsatz eines Stellorgans mit einem elektrome chanischen Wandler und einer mechanischen Verstärkungsein richtung wirksam zu dämpfen, wobei die Gesamtabmessungen der Dämpfungseinrichtung möglichst stark beschränkt sein sollen, um eine räumlich nahe Anordnung von Maschine und der sie haltenden Karosserie zu ermöglichen. Außerdem soll die Energie übertragung bei der Dämpfung verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Die Dämpfungseinrichtung umfaßt ein Stellorgan, wie etwa ein Piezo-Stellorgan, das aus einem elektro-mechanischen Wandler besteht, um eine elektrische Schwingung in eine me chanische Schwingung umzuformen, sowie eine Verstärkungsein richtung, um die resultierende mechanische Schwingung zu ver stärken, wenn die Dämpfungseinrichtung zwischen den zwei Bau elementen, Maschine und Karosserie, angeordnet ist, von denen mindestens eines eine Schwingungsquelle ist, so daß die von dem Stellorgan abgegebene mechanische Schwingung der zu kon trollierenden Schwingung überlagert wird. Die Einrichtung weist einen Meßsensor auf, der im Ausbreitungsweg der abzu schwächenden Schwingung angeordnet ist, sowie eine Regelein richtung, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Meßsen sors eine elektrische Schwingung anlegt, die der abzuschwä chenden Schwingung zugeordnet ist.

Bei dieser Dämpfungseinrichtung der Erfindung wandelt ein Meßsensor die mechanische Schwingung, die abgeschwächt werden soll, in eine elektrische Schwingung um, und in Abhän gigkeit von dieser abgegebenen elektrischen Schwingung legt die Regeleinrichtung ein elektrisches Signal, das der abzu schwächenden Schwingung zugeordnet ist, an den elektromecha nischen Wandler an. Dieser formt das angelegte elektrische Signal in eine mechanische Schwingung um, die allerdings eine sehr kleine Amplitude aufweist. Diese mechanische Schwingung mit kleiner Amplitude wird durch die Verstärkungseinrichtung verstärkt, und eine verstärkte mechanische Schwingung steht zur Verfügung. Diese abgegebene mechanische Schwingung aus dem Stellorgan, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, wird der Schwingung, auf die abgezielt wird, in ihrem Ausbreitungsweg überlagert, um die erwünschte Dämpfungswir kung zu erzeugen.

Da die obige Dämpfungseinrichtung einen elektromechani schen Wandler und in Zuordnung zu diesem eine Verstärkungs einrichtung zum Verstärken seiner abgegebenen mechanischen Schwingung verwendet, und zwar als Stellorgan zum Aufheben der der Quelle entspringenden Schwingung, kann sie auch auf mechanische Schwingungen angewandt werden, die eine große Am plitude aufweisen. Deshalb kann die obige Einrichtung vor teilhafterweise als aktive Dämpfungseinrichtung beispielswei se an einer Kraftfahrzeug-Motorhalterung Anwendung finden. Ferner ist diese Dämpfungseinrichtung imstande, ein breites Spektrum mechanischer Schwingungen eines Motors zu kontrol lieren, und ist deshalb in der Lage, mit jeder Situation fer tigzuwerden, die das Fahren, den Leerlaufzustand usw. umfaßt.

In dieser Ausführungsform der Erfindung kann ein Stel lorgan im allgemeinen Sinn verwendet werden. Ein Piezo-Stel lorgan ist nur ein bevorzugtes Beispiel. Somit bedeutet der hier verwendete Begriff "Stellorgan" ein solches, das elek trische Kraft, magnetische Kraft, Flüssigkeitsdruck, Luft druck, einen elektromagnetischen Antrieb, ein elektrisches Strömungsmittel, magnetisches Strömungsmittel usw. benutzt.

Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der beigefüg ten, schematischen Zeichnungen als Beispiel noch näher erläu tert. Hier zeigt

Fig. 1 ein Längsschnitt, der eine Dämpfungseinrichtung zeigt, die die Grundlagen der Erfindung verkörpert, die in Verbindung mit einer herkömmlichen strömungsmittelgedämpften Motorhalterung für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, und

Fig. 2 ein Längsschnitt, der den Aufbau des Stellorgans darstellt, das in Fig. 1 gezeigt ist.

Es erfolgt nun die detaillierte Beschreibung des bevor zugten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 ist ein Schnitt, der eine Schwingungsdämpfungs einrichtung zeigt, die die Grundlagen der vorliegenden Erfin dung verkörpert und die die Anwendung der aktiven Dämpfung bei einer herkömmlichen, flüssigkeitsgedämpften Kraftfahr zeug-Motorhalterung umfaßt.

Starr an der Unterseite eines Motors 2 bzw. der oberen Fläche einer Fahrzeugkarosserie 3 befinden sich Montagekästen 4 und 5, die gemeinsam verwendet werden, um eine flüssig keitsgedämpfte Motorhalterung 10 zu dem Zweck zu tragen, die Fortpflanzung der mechanischen Schwingungen des Motors 2 zur Fahrzeugkarosserie 3 hin auszuschließen.

Der Aufbau einer solchen strömungsmittelgedämpften Mo torhalterung 10 ist folgender:
An der oberen Oberfläche eines Gummisockels 12 mit einer konkaven, unterseitigen Ausbildung ist eine Metallplatte 14 befestigt, an welcher eine Schraube 16 befestigt ist, die sich nach oben erstreckt. Ein sich nach unten erstreckender, insgesamt zylindrischer Metallmantel 18 ist an dem unteren, konischen Umfang des Gummisockels 12 befestigt. Der untere Endabschnitt des Metallmantels 18 ist am offenen Ende eines mit einem Boden versehenen Trägers 20 befestigt, der eine insgesamt bügelartige Querschnittsausbildung aufweist. An diesem den Boden bildenden Träger 20 ist ferner eine sich nach unten erstreckende Schraube 22 befestigt. Ein federndes Teil 24 in Form einer Membrane ist sandwichartig zwischen dem Mantel 18 und dem Träger 20 eingeschlossen, um die obere Öff nung des Trägers 20 zu verschließen. Ein Strömungsmittel 26 befindet sich abgedichtet in einem Raum, der vom Gummisockel 12 und dem federnden Teil 24 sowie zwischen diesen Teilen be grenzt ist. Dieser Raum ist durch eine starre, horizontale Unterteilung 30 mit einer Blendenöffnung 28 in zwei Abteile 32 und 34 unterteilt. Die Umfangskante dieser Unterteilung 30 ist gemeinsam mit der Umfangskante des elastischen federnden Teiles 24 sandwichartig zwischen dem Metallmantel 18 und dem Träger 20 eingeschlossen und in ihrer Lage befestigt. Die Länge und die Querschnittsfläche der genannten Blendenöffnung 28 sind in geeigneter Weise so gewählt, daß sie den freien Umlauf des Strömungsmittels 26 zwischen den beiden Abteilen 32, 34 ermöglichen. Der Raum zwischen dem Träger 20 und dem elastischen Teil 24 ist eine Luftkammer 36.

Die strömungsmittelgedämpfte Motorhalterung 10, die oben beschrieben wurde, ist zwischen dem Motor 2 und der Fahrzeug karosserie 3 auf die folgende Weise angeordnet.

Der oberste Teil der Motorhalterung 10 ist starr am mo torseitigen Montagekasten 4 mittels der Schraube 16, die an der Metallplatte 14 befestigt ist, einer Scheibe 42 und einer Mutter 44 befestigt, wobei ein Stellorgan 40 zwischen dem Montagekasten 4 und der Metallplatte 14 auf dem Gummisockel 12 angeordnet ist. Das untere Teil der Motorhalterung 10 ist am karosserieseitigen Montagekasten 5 mittels der Schraube 22, die am Träger 20 starr befestigt ist, einer Scheibe 52 und einer Mutter 54 befestigt, wobei ein anderes Stellorgan 50 zwischen der unteren Fläche des Trägers 20 und dem Monta gekasten 5 angeordnet ist. Wie im einzelnen nachfolgend be schrieben wird, weist jedes dieser Stellorgane 40, 50 einen elektro-mechanischen Wandler auf, der ein Stapel piezoelek trischer, keramischer Wafer bzw. Plättchen ist, sowie eine Verstärkungseinrichtung, um die Amplitude seiner mechanischen Schwingung zu verstärken. Beschleunigungssensoren 60, 61 sind am motorseitigen Montagekasten 4 bzw. der Metallplatte 14 auf dem Gummisockel 12 befestigt, während Beschleunigungssensoren 62, 63 am karosserieseitigen Montagekasten 5 und dem Träger 20 befestigt sind. Die Ausgänge dieser Beschleunigungssenso ren 60, 61, 62, 63 werden in eine Regeleinrichtung 64 einge geben, die elektrische Schwingungen proportional zu den Aus gängen der jeweiligen Sensoren 60, 61, 62, 63 an die Stellor gane 40, 50 anlegt.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt, der ein Beispiel eines Stellorgans 40 im einzelnen zeigt. Derselbe Aufbau kann auch bei dem anderen Stellorgan 50 Anwendung finden. Der hier dar gestellte Aufbau zeigt eine beispielhafte, nicht zur Erfin dung gehörende Ausführungsform des Stellorgans 40.

In ein plattenförmiges Gehäuse 71 ist ein elektromecha nischer Wandler 70 eingebettet, der einen vertikalen Stapel piezoelektrischer, keramischer Plättchen aufweist. Ein Dich tungsgummi 72 ist an der Oberseite dieses elektromechani schen Wandlers 70 so befestigt, daß das Strömungsmittel, das in die Strömungsmittelkammer 73 eingefüllt ist, die oberhalb angeordnet ist, nicht in Berührung mit dem elektromechani schen Wandler 70 gelangen darf. Die Strömungsmittelkammer 73 ist jedoch in ihrer Querschnittsfläche an ihrem Sockel gleich dem elektro-mechanischen Wandler 70 und nimmt in der Quer schnittsfläche zu ihrem oberen Ende hin allmählich ab. Die Strömungsmittelkammer 73 weist eine obere Öffnung 74 auf, die von einer Gummimembran 75 verschlossen ist, die an der Ober seite des Gehäuses 71 so befestigt ist, daß sie das Strö mungsmittel innerhalb der Strömungsmittelkammer 73 abdichtet. Wenn sich der elektro-mechanische Wandler 70 in vertikaler Richtung ausweitet, dann überträgt das Strömungsmittel in der Strömungsmittelkammer 73 den resultierenden Druck entspre chend dem Pascal'schen Gesetz so nach oben, daß die Gummimem bran 75 sich in der Lage entsprechend der oberen Öffnung 74 der Strömungsmittelkammer 73 ausbeult. Hier ist eine Verstär kungseinrichtung 76 gebildet, die die mechanische Schwingung des elektro-mechanischen Wandlers 70 verstärkt. Die relative mechanische Schwingung zwischen dem Motor 2 und der Metall platte 14, wie sie durch die Beschleunigungssensoren 60, 61 ermittelt wird, wird durch die mechanische Schwingung des Stellorgans 40 aufgehoben, die von der Regeleinrichtung 64 geregelt wird. Wenn somit der Motor 2 beim Vorgang seiner Vi brationen nach unten durchhängt, wird die Höhe der Ausbeulung der Gummimembran 75 um dasselbe Maß verringert, während die Höhe der Ausbeulung der Gummimembran 75 erhöht wird, wenn sich der Motor 2 anhebt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Strömungsmittelkammer 73 mit einem nicht-kompressiblen Gummi anstelle des Strömungsmittels imprägniert sein kann. In die sem Fall kann ein funktionell äquivalentes Stellorgan 40 ohne Verwendung des Dichtungsgummis 73 und der Gummimembran 75 aufgebaut werden. Zur Steuerung des Stellorgans 50 werden die relativen mechanischen Schwingungen benutzt, die von den Beschleunigungssensoren 62, 63 seitens der Karosserie 3 aufge nommen werden.

Bei der obigen beispielhaften Anordnung kann die Dicke des Stellorgans 40, die für eine strömungsmittelgedämpfte Motorhalterung 10 erforderlich ist, die einen Durchmesser von 10 cm und eine Höhe von etwa 10 cm beispielsweise aufweist, auf etwa nicht mehr als 1 cm verringert werden. Der elektro mechanische Wandler 70 weist eine ausreichend hohe Lastaufnahmekapazität von etwa 350 kp pro cm² Querschnittsfläche sowohl für statische als auch dynamische Lasten des Motors 2 auf. Ferner kann das Stellorgan mit mechanischen Schwingungen über einen breiten Frequenzbereich von 50 Hz bis 500 Hz umgehen.

Claims

1. Dämpfungseinrichtung zur Abschwächung einer von einer Maschine, die auf eine Karosserie abgestützt ist, abgegebenen mechanischen Schwingung mit
einer hydraulischen Maschinenhalterung (10),
einem Stellorgan (40, 50) mit einem elektro-mechanischen Wandler (70), der elektrische in mechanische Schwingung um wandelt, und einer mechanischen Verstärkungseinrichtung (76), die die vom elektro-mechanischen Wandler (70) erzeugte Schwingungsamplitude auf mechanischem Weg vergrößert,
wobei die hydraulische Maschinenhalterung (10) und das Stellorgan (40, 50) miteinander verbunden und zwischen der Maschine und der Karosserie angeordnet sind, mit
einem Sensor (60, 61, 62, 63) zur Aufnahme und Umwand lung von von der Maschine erzeugten Schwingungen in ein elek trisches Ausgangssignal, und mit
einer Regeleinrichtung (64), die auf der Grundlage des elektrischen Ausgangssignals des Sensors ein elektrisches Schwingungssignal an das Stellorgan (40, 50) anlegt, um die Schwingung der Maschine zu dämpfen,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellorgan (40, 50) an mindestens einer der Begren zungsflächen der Maschinenhalterung (10) in Richtung von Ma schine zu Karosserie außerhalb der Maschinenhalterung und flach anliegend an diese angeordnet ist.

2. Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Stellorgan (40) an der der Maschine zuge wandten Begrenzungsfläche und ein weiteres Stellorgan (50) an der der Karosserie zugewandten Begrenzungsfläche der Maschi nenhalterung (10) flach anliegt.

3. Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der elektro-mechanische Wandler (70) ein pie zoelektrischer und/oder magnetischer Wandler ist.

4. Dämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellorgan (40, 50) und die hydraulische Maschinenhalterung (10) sowie die Maschine und/oder die Karosserie derart hintereinander angeordnet sind, daß die von der mechanischen Verstärkungseinrichtung (76) erzeugte Schwingung in ihrer Richtung mit der Schwin gungsrichtung der Maschine im wesentlichen übereinstimmt.