DE10246837A1

DE10246837A1 - Mechanical vibration damper for conversion of mechanical vibrations into electrical energy has mass connected to piezoelectric element connected to control circuit

Info

Publication number: DE10246837A1
Application number: DE10246837A
Authority: DE
Original assignee: CONSENS GmbH
Current assignee: CONSENS GmbH
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2003-05-22

Abstract

The damping system has a heavy mass (5) fastened to one side of a baseplate. A piezoelectric element (3) and a control circuit (4) are fastened to the other side. A spring (2) connects a vibrating mass (1) to the piezoelectric element. The motion of the mass (Delta x) produces a varying force (Delta F) on the piezoelectric element, which produces a varying electrical voltage (Delta Q).

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer, bei dem aus der mechanischen Schwingungsenergie von Stoßdämpfern elektrische Energie erzeugt wird. The invention relates to a vibration damper in which the mechanical vibration energy from shock absorbers electrical energy is produced.

Bei fast allen Bewegungsabläufen entstehen in Abhängigkeit von den Eigenfrequenzen mechanische Schwingungen. Diese sind häufig unerwünscht und müssen durch konstruktive und technische Maßnahmen in ihrer Wirkung begrenzt und kompensiert werden. Neben den konstruktiven Maßnahmen, die das Entstehen von Schwingungen vermeiden sollen, werden Schwingungsdämpfer unterschiedlichster Bauformen verwendet. Almost all movements occur depending on the Natural frequencies mechanical vibrations. These are often undesirable and must be effective through constructive and technical measures limited and compensated. In addition to the constructive measures that should avoid the generation of vibrations Vibration damper of various designs used.

Die am häufigsten angewendeten Schwingungsdämpfer sind passive Elemente, welche durch Kontraktion bestimmter Materialien die Schwingungsenergie in Wärme umwandeln. In DE 25 20 327 C2 ist ein derartiger Schwingungsdämpfer beschrieben. Derartige Anordnungen sind zwar sehr robust und können relativ einfach hergestellt werden. Durch die begrenzte Festigkeit der verwendeten Materialien ist ihre Anwendbarkeit und Lebensdauer aber begrenzt. The most commonly used vibration dampers are passive elements, which by contraction of certain materials the vibrational energy in Convert heat. Such is in DE 25 20 327 C2 Vibration damper described. Such arrangements are very robust and can be made relatively easily. Due to the limited strength of the The materials used is their applicability and lifespan limited.

Darüber sind fluidische Schwingungsdämpfer bekannt, die bevorzugt in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden und dort als Stoßdämpfer bezeichnet werden. Diese Ausführungen nutzen die Wärmeabgabe von komprimierten Fluiden in Strömungskanälen zum Abbau der Schwingungsenergie. In DE 199 31 017 C2 ist ein derartiger fluidischer Schwingungsdämpfer beschrieben. Diese bekannten Stoßdämpfer weisen einen Kolben auf, der in einem Zylinder in axialer Richtung verlagerbar angeordnet ist, und der den Zylinder in im wesentlichen zwei Ölräume unterteilt. Einer dieser Ölräume ist darüber hinaus über einen weiteren, verlagerbaren Kolben, den so genannten Trennkolben, unterteilt, nämlich in den verbleibenden Ölraum und in ein Gasvolumen. In addition, fluidic vibration dampers are known, which are preferred in the Vehicle industry are used and referred to there as shock absorbers become. These designs use the heat emission from compressed Fluids in flow channels to reduce vibrational energy. In DE 199 Such a fluidic vibration damper is described in 31 017 C2. These known shock absorbers have a piston which is in a cylinder is arranged displaceable in the axial direction, and the cylinder in essentially divided into two oil rooms. One of these oil rooms is beyond that via another, displaceable piston, the so-called separating piston, divided, namely into the remaining oil space and into a gas volume.

Diese Schwingungsdämpfer können wesentlich höher mechanische Schwingungen dämpfen. Durch die Auslegung der Strömungskanäle und der Auswahl des Fluides müssen sie aber durch aufwendige mechanische Bearbeitung an den jeweiligen Anwendungsfälle angepasst werden. Ferner ist nachteilig, dass ein einmal eingestelltes Systemverhalten nur bedingt verändert werden kann. Ihre Zuverlässigkeit hängt folglich von der Einhaltung bestimmter Randbedingungen ab. These vibration dampers can be much higher mechanical Dampen vibrations. By designing the flow channels and the However, the choice of fluid must be made using complex mechanical means Processing can be adapted to the respective use cases. Furthermore is disadvantageous that a system behavior that has been set only changes to a limited extent can be. Their reliability therefore depends on compliance certain boundary conditions.

In DE 199 02 049 C2 ist eine Einrichtung beschrieben, bei der zur Niveauregelung an Kraftfahrzeugen Luftfederungselemente und steuerbare Ventile angeordnet sind, wobei durch Verlagerung der Strömungskanäle in eine externe Ventilstruktur Möglichkeiten zur aktiven Beeinflussung der Fahrzeugstabilität bestehen. Diese Art von Schwingungsdämpfern benötigen für ihrer Funktion zusätzliche Steuerenergie, die häufig ein vielfaches der zu dämpfenden Schwingungsenergie beträgt. DE 199 02 049 C2 describes a device in which Level control on motor vehicles air suspension elements and controllable Valves are arranged, wherein by moving the flow channels in a External valve structure Possibilities to actively influence the Vehicle stability exist. You need this type of vibration dampers for their function additional control energy, which is often a multiple of that damping vibration energy is.

Mit dem Bestreben die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen zu erhöhen, gewinnt die Energierückgewinnung aus der Schwingungsenergie wachsende Bedeutung. In DE 198 54 949 A1 wird hierzu vorgeschlagen, mit Hilfe eines induktiven Systems aus der Schwingungsenergie von Stoßdämpfern elektrische Energie zu erzeugen. Da die Größe der elektrischen Energie, die bei der Wandlung von mechanischer in elektrische Energie von der Geschwindigkeit der Ankerbewegung des Wandlers abhängt, ist die resultierende Bewegungsgeschwindigkeit der Schwingungsdämpfer für eine effektive magnetische Energiewandlung besonders im Kfz-Bereich viel zu gering. Hinzu kommt noch, dass die Energiedichte je Volumeneinheit bei fluidischen Elementen deutlich größer ist als bei magnetischen Strukturen. Folglich benötigen elektromagnetische Schwingungsdämpfer ein wesentlich größeres Volumen. The effort to increase the economy of vehicles wins the energy recovery from the vibrational energy growing Importance. DE 198 54 949 A1 proposes this with the help of a inductive system from the vibration energy of shock absorbers electrical To generate energy. Because the size of the electrical energy at the Conversion of mechanical to electrical energy from speed depends on the armature movement of the transducer, is the resultant Movement speed of the vibration damper for effective Magnetic energy conversion, especially in the automotive sector, is far too low. In addition, the energy density per unit volume in fluidic Elements is significantly larger than with magnetic structures. consequently electromagnetic vibration dampers require a much larger one Volume.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Schwingungsdämpfer anzugeben, der bei geringer Baugröße eine effektive Wandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie ermöglicht. The invention has for its object a vibration damper specify the effective conversion of mechanical with small size Allows vibrational energy into electrical energy.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält. According to the invention the object is achieved with an arrangement which the in Claim 1 includes features.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous refinements are specified in the subclaims.

Piezokeramische Aktoren besitzen eine sehr große Energiedichte je Volumeneinheit und können daher gut in Schwingungsdämpfer eingebunden werden. Sie besitzen darüber hinaus sowohl ein aktorisches, als auch ein sensorisches Verhalten. Damit gelingt es, mit Hilfe von piezoelektrischen Aktoren aus mechanischer Schwingungsenergie elektrische Energie zu erzeugen und diese um 180° phasenverschoben in eine mechanische Gegenschwingung zurück zu wandeln. Mit diesem Uberlagerungsverfahren kann die Schwingungsenergie nahezu vollständig kompensiert werden. Piezoceramic actuators each have a very large energy density Volume unit and can therefore be well integrated into vibration dampers become. They also have both an actuator and a sensory behavior. So it succeeds with the help of piezoelectric Actuators from mechanical vibration energy to electrical energy generate and phase-shifted by 180 ° into a mechanical To convert back vibration back. With this overlay process the vibration energy can be almost completely compensated.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment explained.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen: In the accompanying drawing:

Fig. 1 eine Anordnung mit direkter Übertragung der Schwingungsenergie auf einen piezokeramischen Aktor und Fig. 1 shows an arrangement with direct transmission of the vibration energy to a piezoceramic actuator and

Fig. 2 eine Anordnung mit Übertragung der Schwingungsenergie auf einen piezokeramischen Aktor über ein Fluid. Fig. 2 shows an arrangement with transmission of the vibration energy to a piezoceramic actuator via a fluid.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird die mechanische Schwingungsenergie direkt auf den piezokeramischen Aktor 3 geleitet. Die als Stellweges Δx wirkende Bewegungsgröße des Schwingungselementes 1 wird über ein Federelement 2 auf den piezokeramischen Aktor 3 geleitet. Das Schwingungselement 1 führt gegenüber der Masse 5 eine translatorische schwingende Bewegung aus. Das Federelement 2 ermöglicht die Anpassung des Stellweges Δx und bewirkt eine Änderung der wirksamen Druckkraft ΔF am piezokeramischen Aktor 3. Die Änderung der Druckkraft bewirkt den Aufbau eines elektrischen Feldes, welches eine Ladung ΔQ an den Klemmen des piezokeramischen Aktors 3 erzeugt. Durch eine geeignete Steuereinrichtung 4 kann erreicht werden, dass die Ladung ΔQ nahezu vollständig abgenommen werden kann. Die Energie der abgenommen Ladungen ΔQ wird der Schwingungsenergie entzogen und somit die mechanische Schwingung gedämpft. In the embodiment shown in FIG. 1, the mechanical vibration energy is conducted directly to the piezoceramic actuator 3 . The movement quantity of the vibration element 1 , which acts as the travel path Δx, is directed to the piezoceramic actuator 3 via a spring element 2 . The vibration element 1 performs a translatory oscillating movement with respect to the mass 5 . The spring element 2 enables the adjustment travel Δx to be adjusted and causes a change in the effective pressure force ΔF on the piezoceramic actuator 3 . The change in the pressure force causes an electric field to build up, which generates a charge ΔQ at the terminals of the piezoceramic actuator 3 . By means of a suitable control device 4 it can be achieved that the charge ΔQ can be removed almost completely. The energy of the removed charges ΔQ is extracted from the vibration energy and thus the mechanical vibration is damped.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schwingungsdämpfers gelingt dadurch, dass die dem Schwingungssystem entzogene elektrische Energie mit einer Phasenverschiebung von 180° durch den piezokeramischen Aktor 3 in mechanische Schwingungen zurück gewandelt wird und dem System wieder zugeführt wird. Durch die Überlagerung der beiden um 180° phasenverschobenen Schwingungen werden diese ausgelöscht. An advantageous embodiment of the vibration damper succeeds in that the electrical energy extracted from the vibration system is converted back into mechanical vibrations by the piezoceramic actuator 3 with a phase shift of 180 ° and is fed back into the system. By superimposing the two vibrations that are 180 ° out of phase, they are canceled out.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der die Bewegung des Schwingungselementes 1 über ein Fluid 6 auf den piezokeramischen Aktor 3 geleitet wird und dort eine Änderung der wirksamen Druckkraft ΔF bewirkt. Als bewegungsübertragendes Fluid 6 wird im gezeigten Beispiel Hydrauliköl verwendet. Die Wirkung des Federelementes 2 übernimmt eine abgeschlossene Druckluftanordnung 7, mit der schwingende Druckänderungen Δp der Druckluft erzeugt und auf den piezokeramischen Aktor 3 übertragen werden. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Schwingungselement
2 Federelement
3 piezokeramischer Aktor
4 Steuereinrichtung
5 Masse
6 Fluid
7 Druckluftanordnung
Fig. 2 shows an embodiment in which the movement of the vibrating element 1 is directed via a fluid 6 to the piezoceramic actuator 3 and there causes a change in the effective pressure force ΔF. Hydraulic oil is used as the motion-transmitting fluid 6 in the example shown. The effect of the spring element 2 takes over a closed compressed air arrangement 7 , with which oscillating pressure changes Δp of the compressed air are generated and transmitted to the piezoceramic actuator 3 . REFERENCE SIGN LIST 1 vibration element
2 spring element
3 piezoceramic actuator
4 control device
5 mass
6 fluid
7 Compressed air arrangement

Claims

1. Vibration damper, in which electrical energy is generated from the mechanical vibration energy of shock absorbers, characterized in that the mechanical vibration energy of a vibration element ( 1 ) with a piezoelectric actuator ( 3 ) is converted into electrical energy and this is used for energy recovery.

2. Vibration damper according to claim 1, characterized in that the movement of the vibration element ( 1 ) via a spring element ( 2 ) is transmitted to the piezoelectric actuator ( 3 ).

3. Vibration damper according to claim 2, characterized in that a compression spring is arranged as the spring element ( 2 ) between the vibration element ( 1 ) and the piezoelectric actuator ( 3 ).

4. Vibration damper according to claim 2, characterized in that a compressed air arrangement ( 7 ) is used as the spring element ( 2 ), which enables an elastic oscillating movement of the vibration element ( 1 ) relative to the mass ( 5 ).

5. Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the electrical energy to generate a 180 ° phase-shifted mechanical counter-vibration is used.