Piezoelektrische Aktuatoren in Hochleistungsanwendungen

Im Projekt HIPER-Act setzten sich mehrere Partner aus Industrie und Forschung das Ziel, neuartige piezoelektrische Aktuatoren zu entwickeln und deren Potential in Anwendungsszenarien zu demonstrieren.
Diese Aktuatoren sollten zum einen eine deutlich höhere Performanz und zum anderen auch eine höhere Lebensdauer als herkömmliche Aktuatoren erreichen. Piezoaktuatoren zeigen ohne besondere Schutzmaßnahmen eine Anfälligkeit gegen Umgebungsfeuchte, woraus typisch eine verkürzte Lebensdauer resultiert. Sie erreichen ohne zusätzliche Maßnahmen meist nicht die erforderlichen Leistungsdaten, insbesondere sind erreichbare Stellwege für viele Aufgabenstellungen zu gering.
Diese Defizite wurden im Projekt durch die Entwicklung neuartiger Aktuatoren und entsprechende Anwendungsszenarien adressiert.

Aktive Motorlagerung im Fahrzeug

In Fahrzeugen macht sich der Trend zu Downsizing und Leichtbau in Form einer erhöhten Schwingungsanfälligkeit und damit auch einer zunehmenden Schallemission im Innenraum bemerkbar. Die vom Motor erzeugten Schwingungen gelangen dabei über die Motorlagerung und die Karosserie in die Fahrgastzelle, wo sie sich als unangenehm empfundener Schall bemerkbar machen. Das Potential passiver Maßnahmen zur Erhöhung des Fahrkomforts ist hier weitgehend ausgeschöpft. Der Einsatz aktiver Motorlager stellt jedoch eine Möglichkeit dar, die Schwingungen direkt am Entstehungsort noch weiter zu reduzieren.

Herkömmliche Motorlagerung

Komfortsteigerung durch aktive Motorlager

Herausforderung

Die vom Motor eines Fahrzeugs erzeugten Schwingungen gelangen über die Motorlagerung und die Karosserie in die Fahrgastzelle, wo sie sich als unangenehm empfundener Schall äußern können. Passive Maßnahmen zur Schwingungsreduktion stoßen hier an ihre Grenzen. Der Einsatz aktiver Motorlager stellt jedoch eine Möglichkeit dar, die Schwingungen direkt am Entstehungsort noch weiter zu reduzieren.

Lösung

Entwicklung eines aktiven Motorlagers basierend auf einem Piezoaktuator mit Wegübersetzungsmechanismus für den Einsatz im Fahrzeug.

Prinzip

Die statisch wirkenden Lasten können bei solchen 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 hier 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. Hieraus ergeben sich reduzierte 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.

Kundennutzen

Für Aufgabenstellungen im Bereich der Schwingungstechnik ist das Fraunhofer LBF Ansprechparter und bietet sowohl passive als auch aktive Lösungen an. Sollte der Einsatz passiver Maßnahmen unzureichend sein, besteht die Möglichkeit passive Maßnahmen durch aktive Maßnahmen zu ergänzen oder ersetzen. In Fahrzeugen besteht beispielsweise die Möglichkeit zur Komfortsteigerung indem die vorhandene, passive Motorlagerung durch eine Aktive ersetzt wird.

Mehr Infos zu Forschungsbereich & Abteilung: