Entspanntes und ruhiges Dahingleiten verbinden viele Autofahrer mit einem Komfort, den sie von einem modernen Automobil erwarten. Allerdings erzeugen Motoren auch heute noch störende Schwingungen. Über die Motorlagerung und die Karosserie gelangen diese als unangenehm empfundener Schall in die Fahrgastzelle, und der Komfort der Insassen leidet. Als mögliche Gegenmaßnahmen werden häufig passive Dämpfer eingesetzt, die hier aber an ihre Grenzen stoßen. Um den Komfort in Fahrzeugen zu steigern, ist es erfolgversprechend, die vom Motor verursachten Schwingungen direkt über dem Motorlager aktiv zu entkoppeln. Ein solches aktives Motorlager haben Wissenschaftler des Fraunhofer LBF entwickelt.
Das neuartige Motorlager basiert auf einem Piezoaktuator mit Wegübersetzungsmechanismus. Die Forscher des Fraunhofer LBF konnten daran die durch Piezoaktoren erzielbare Vibrationsminderung in einem Fahrzeug unter realitätsnahen Bedingungen nachweisen. Damit ist es im Idealfall möglich, bestehende passive Lösungen mit aktiven Technologien zu ersetzen oder zu verstärken, ohne dass weitere Änderungen im System notwendig sind.
Piezoelektrische Aktuatoren mit mehr Potenzial
Die statisch wirkenden Lasten können bei Lagern die dynamische Last um Größenordnungen übersteigen, sie verursachen jedoch keinen Schwingungseintrag in das Fahrzeug. Eine auf die statische Belastung ausgelegte Aktuatorik ist demnach zur Kompensation der dynamischen Kräfte deutlich überdimensioniert und erfordert einen unnötig hohen Leistungsbedarf. Die am Fraunhofer LBF entwickelte Lagerung basiert auf einer neuartigen Topologie, die die Aktuatorik von statisch wirkenden Kräften entkoppelt, so dass die Anforderungen an diese sinken und die Lagerung einen besonders niedrigen Leistungsbedarf aufweist.
Die neu entwickelte Motorlagerung zeichnet sich durch zwei getrennte Kraftpfade aus. Ein Kraftpfad überträgt hierbei die statisch wirkenden Lastanteile, während der zweite Pfad über einen viskosen Dämpfer von diesen entkoppelt wird und nur die dynamischen Anteile wirksam werden lässt. Dies reduziert die Anforderungen an die Dimensionierung der Aktuatorik und die für die Ansteuerung erforderliche Leistungselektronik.
Ein Regelalgorithmus berechnet dabei das Ansteuersignal für den integrierten Piezoaktuator, basierend auf der aktuellen Motordrehzahl und der Karosseriebeschleunigung an der Lagerposition bzw. dem Schalldruck in der Fahrgastzelle. Messergebnisse zeigen, dass die Beschleunigungswerte der dominierenden 2. Motorordnung frequenzabhängig um bis zu 20 dB reduziert werden können. Bei der Reduktion des Schalldruckpegels werden Werte von bis zu 10 dB erreicht.
Für Aufgabenstellungen im Bereich der Schwingungstechnik ist das Fraunhofer LBF Ansprechpartner und bietet sowohl passive als auch aktive Lösungen an. Sollte der Einsatz passiver Maßnahmen unzureichend sein, besteht die Möglichkeit, diese durch aktive Maßnahmen zu ergänzen oder zu ersetzen. In Fahrzeugen lässt sich beispielsweise der Komfort steigern, indem die vorhandene passive Motorlagerung durch eine aktive ersetzt wird.
Weitere Informationen.
(Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, 18.06.2013 – KSA)
