ITTO941083A1 - Sistema per la riduzione del rumore dovuto a vibrazioni di un veicolo. - Google Patents

Sistema per la riduzione del rumore dovuto a vibrazioni di un veicolo. Download PDF

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vibrations
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Necca Dino Zandonella
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Fiat Auto Spa
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Abstract

Sistema attivo per la riduzione delle vibrazioni nei pannelli (L) di scocca di un autoveicolo comprendente attuatori (A) piezoelettrici, applicati ai suddetti pannelli (L) e pilotati da una centralina elettronica (CCR) in base ad un segnale (RPM) indicativo della velocità di rotazione del motore termico dell'autoveicolo. Il sistema permette di ridurre contemporaneamente le vibrazioni, e conseguentemente il rumore, all'interno dell'abitacolo e gli elementi smorzanti pur avendo un costo molto contenuto.(Figura 1).

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema per la riduzione del rumore dovuto a vibrazioni in un veicolo"
DESCRIZIONE
La presente invenzione fa riferimento in generali ai sistemi attivi per la riduzione delle vibrazioni e più specificamente fa riferimento ai sistemi attivi per la riduzione delle vibrazioni in pannelli di carrozzeria di autoveicoli.
Per la riduzione del livello di vibrazioni e conseguentemente di rumore prodotto da pannelli di carrozzeria in veicoli, e particolarmente in autoveicoli, tradizionalmente sono state impiegate varie tecniche di tipo passivo. Tali tecniche consistono sostanzialmente nell'applicazione di elementi smorzanti e pannelli fonoassorbenti ai suddetti pannelli di carrozzeria. Tali dispositivi presentano l'inconveniente di avere ingombri, pesi e costo non indifferenti .
Per ovviare a tali inconvenienti sono stati sviluppati sistemi per il controllo attivo del rumore. Nei veicoli, in particolare negli autoveicoli, tali sistemi sono utilizzati per ridurre le vibrazioni di pannelli di carrozzeria in modo da ridurre il rumore da essi prodotto. Un sistema di tale tipo è descritto ad esempio nella domanda di brevetto italiana n. TO93A000577 depositata il 3 agosto 1993 a nome della stessa richiedente.
In pratica tali sistemi si basano sul principio di rilevare, mediante sensori, le vibrazioni di tali pannelli e quindi di pilotare in controfase degli attuatori, applicati ai pannelli, al fine di ridurre od eliminare le vibrazioni. Tali sistemi, pur essendo efficaci, presentano l'inconveniente di essere molto complessi e costosi il che ne ha impedito l'adozione, sino ad oggi, sugli autoveicoli correntemente in produzione.
Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per la riduzione delle vibrazioni che permetta di risolvere in modo soddisfacente l'inconveniente sopra indicato.
Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un sistema per la riduzione delle vibrazioni avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione.
Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui:
la figura 1 è una rappresentazione schematica a blocchi di una forma di attuazione del sistema secondo la presente invenzione,
la figura 2 è una rappresentazione schematica a blocchi di una forma di attuazione alternativa del sistema secondo l'invenzione,
la figura 3 è una rappresentazione schematica a blocchi, di carattere funzionale, del sistema di figura 1, e
la figura 4 è una rappresentazione schematica a blocchi, di carattere funzionale, del sistema di figura 2.
La presente invenzione consiste sostanzialmente in un sistema elettronico attivo per il controllo delle vibrazioni in elementi laminari quali ad esempio lamiere o pannelli di carrozzeria.
Facendo riferimento alla figura 1 con L è indicato un pannello di carrozzeria di un autoveicolo, tipicamente in lamiera. Al pannello L è applicato almeno un attuatore, normalmente di tipo piezoelettrico, A. Tipicamente al pannello L sono applicati più attuatori A.
Tali attuatori A sono controllati, o pilotati, da una centralina elettronica CCR per il controllo attivo delle vibrazioni, o del rumore. Nella specifica forma di attuazione qui illustrata gli attuatori A sono pilotati tramite circuiti elevatori di tensione EV. Nel caso infatti di attuatori A di tipo piezoelettrico si rende necessario l'impiego di tensioni sufficientemente elevate, tipicamente superiori ai 12 volt normalmente disponibili in un autoveicolo, per pilotare gli attuatori A stessi.
La centralina CCR è inoltre collegata ad una centralina CCM di gestione di un motore termico dell'autoveicolo. Tramite tale collegamento la centralina di gestione del motore CCM trasmette alla centralina per il controllo delle vibrazioni CCR un segnale RPM indicativo della velocità di rotazione del motore. Un segnale di questo tipo è disponibile ormai sulla pressoché totalità degli autoveicoli attualmente in produzione.
Il sistema secondo la presente invenzione infatti si basa sul fatto che la maggior parte delle vibrazioni riscontrabili sui pannelli di carrozzeria L sono indotte, direttamente od indirettamente, dal motore termico dell'autoveicolo e quindi hanno una frequenza che dipende dalla velocità di rotazione, o numero di giri per minuto, RPM del motore stesso. E' quindi possibile ottenere una sostanziale riduzione delle vibrazioni, e quindi del rumore, indotte dal motore sui pannelli di carrozzeria L anche in assenza di sensori atti a rilevare tali vibrazioni come nei sistemi secondo la tecnica nota.
A tale scopo il sistema secondo la presente invenzione comprende uno stimatore di rumore che, in base al segnale RPM indicativo della velocità di rotazione del motore, genera uno o più segnali atti a pilotare gli attuatori A. Lo stimatore di rumore fa naturalmente parte della centralina per il controllo delle vibrazioni CCR e verrà ora descritto più in dettaglio con riferimento alla figura 3.
In figura 3 è rappresentato schematicamente, mediante blocchi funzionali, il sistema secondo la presente invenzione, in figura 3 a parti ed elementi già descritti con riferimento alla figura 1 sono stati attribuiti nuovamente gli stessi riferimenti alfanumerici .
Come si può vedere dalla figura la centralina per il controllo delle vibrazioni CCR comprende uno stimatore di rumore SR, citato in precedenza ed un'unità di elaborazione C, ad esempio un microprocessore. Lo stimatore di rumore SR, come detto in precedenza, in base al segnale RPM che riceve in ingresso provvede a generare i segnali atti a pilotare gli attuatori A. Gli attuatori A a loro volta agiscono sulla carrozzeria L in modo da minimizzare le vibrazioni indotte da disturbi DIS, ad esempio il motore termico, e quindi il rumore R generato dalla carrozzeria L.
Perchè lo stimatore di rumore SR possa svolgere tale funzione è necessario analizzare preventivamente le vibrazioni indotte sulla carrozzeria L dal motore. In una fase preliminare quindi si registrano e si analizzano le vibrazioni indotte nei vari pannelli di carrozzeria L per tutte le velocità di rotazione del motore. In tal modo si raccoglie una massa di dati che fornisce un quadro completo delle vibrazioni indotte. In base a tali dati è possibile elaborare i suddetti segnali, tipicamente un segnale per ogni attuatore A, atti a ridurre le vibrazioni.
L'elaborazione di questi segnali tipicamente consiste nel generare una forma d'onda corrispondente a quella rilevata, ma in controfase, ed è alla portata di un tecnico esperto del settore. E' anche possibile, nel corso di tale operazione, introdurre parametri correttivi o modificare tali forme d'onda, sulla base di rilievi sperimentali, al fine di ottimizzare l'effetto di riduzione del rumore. E' possibile ad esempio che tali forme d'onda vengano filtrate in frequenza.
Al termine di tale elaborazione le forme d'onda vengono memorizzate nello stimatore di rumore SR, associate alle rispettive velocità di rotazione del motore. A tale scopo lo stimatore di rumore SR è naturalmente provvisto di un'area di memoria, ad esempio una memoria digitale a sola lettura o ROM, di dimensioni sufficienti alla memorizzazione di tutte le forme d'onda utilizzate dallo stimatore di rumore SR.
Nell'impiego quindi lo stimatore di rumore SR emette in uscita le forme d'onda corrispondenti alla velocità di rotazione del motore ricavata dal segnale RPM . Tali forme d'onda vengono trasmesse ad una successiva unità elaborativa C che, in base a tali forme d'onda, genera in forma definitiva i segnali atti a pilotare gli attuatori A.
in pratica l'unità elaborativa C provvede a generare, a partire dalle forme d'onda trasmesse dallo stimatore di rumore SR, i segnali periodici per gli attuatori A ed a smistare tali segnali periodici sulle uscite della centralina CCR. Tipicamente l'unità elaborativa C comprende quindi circuiti convertitori di tipo digitale-analogico e circuiti amplificatori in modo da poter generare segnali di tipo analogico direttamente impiegabili, eventualmente tramite i circuiti elevatori di tensione EV, per il pilotaggio degli attuatori A.
Inoltre l'unità elaborativa C è anche configurata in modo tale per cui la frequenza e la fase di tali segnali di pilotaggio siano accordate con la frequenza e la fase del segnale RPM al fine di massimizzare l'effetto di riduzione delle vibrazioni. A tale scopo l'unità elaborativa C deve ricevere anch'essa il segnale RPM, oppure un corrispondente segnale di sincronismo trasmesso dallo stimatore di rumore SR. E' eventualmente possibile, al fine di migliorare la precisione e le prestazioni del sistema, utilizzare quale segnale RPM un segnale di ruota fonica del motore termico.
Inoltre poiché le carrozzerie L degli autoveicoli di uno stesso modello sono tra loro identiche solo in teoria è possibile prevedere, al termine delle operazioni di fabbricazione, una fase di rilevazione per ogni autoveicolo in modo da caratterizzare, o parametrizzare, individualmente le suddette forme d'onda. Tali forme d'onda caratterizzate individualmente possono quindi venire memorizzate in detta memoria a sola lettura dello stimatore SR. ciò permette di migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema.
Naturalmente è anche possibile l'impiego di tecniche più complesse per generare detti segnali di pilotaggio, ad esempio nel caso in cui lo stimatore di rumore SR utilizzi un modello dinamico della carrozzeria L che permetta di elaborare le suddette forme d'onda.
E' anche possibile configurare il sistema, e cioè essenzialmente lo stimatore di rumore SR posto nella centralina di controllo CCR, in modo da implementare, in aggiunta, od in alternativa, alla funzione di controllo delle vibrazioni, la funzione di controllo attivo del rumore. Non bisogna infatti dimenticare che lo scopo della riduzione delle vibrazioni è sostanzialmente quello di ridurre il rumore all'interno dell’abitacolo del veicolo.
In questa ottica si può rendere necessario in alcuni casi pilotare gli attuatori A in modo da produrre, anziché smorzare, vibrazioni al fine di eliminare o ridurre rumori presenti nell'abitacolo.
Il sistema secondo l'invenzione, tuttavia, in questo caso, in cui può essere coinvolta una parte dei pannelli L e degli attuatori A, non necessita di alcuna modifica rispetto a quanto descritto in precedenza. L'unica differenza è riscontrabile nell'obiettivo finale della fase preliminare di registrazione ed analisi dei dati che ha lo scopo, in questo caso, di ridurre il rumore in aggiunta od in alternativa alle vibrazioni .
E' inoltre possibile dotare il sistema secondo l'invenzione di sensori S, come illustrato in figura 2, analogamente a quanto avviene nei sistemi secondo la tecnica nota. In tal modo il sistema dispone di un segnale di retroazione, noto anche come feedback, che permette di verificare e correggere gli effetti dei segnali di pilotaggio. Come si può notare dalla figura 4, analoga alla figura 3 e raffigurante a livello funzionale il sistema di figura 2, il segnale di retroazione rilevato dai sensori S è indicativo del rumore R generato dalla carrozzeria L e viene inviato all'unità elaborativa C.
Sia gli attuatori A, che i sensori S, in una forma di attuazione al momento considerata preferenziale, sono realizzati in materiale piezoelettri -co ceramico o polimerico. Essi hanno forma sostanzialmente piana, presentano infatti uno spessore e quindi un ingombro molto ridotto, e sono incollati al pannello L in modo da risultare solidali con quest'ultimo .
L'applicazione dei sensori S e degli attuatori A è prevista, nel caso specifico, su un numero limitato di pannelli di carrozzeria L che sono la fonte primaria di rumore nell'abitacolo di un autoveicolo. Essi sono ad esempio:
cruscotto, o parafiamma;
pedane, pedane cruscotto e centrali;
tunnel ;
padiglione.
I sensori S e gli attuatori A possono essere convenientemente applicati negli stessi punti. Il sensore S e l'attuatore A possono, ad esempio, essere applicati alle due superfici contrapposte di un pannello L. in alternativa, invece, il sensore S può essere applicato ad una superficie del pannello L mentre l'attuatore A può essere applicato al sensore S, cioè sovrapposto ad esso.
Inoltre, in una forma di attuazione alternativa, il sistema comprende un dispositivo per la regolazione del guadagno (non illustrato) . Tale dispositivo per la regolazione del guadagno funziona per mezzo di uno o più sensori, applicati alla carrozzeria L, propri (non illustrati) ed ha la funzione di limitare il guadagno del sistema qualora rilevi vibrazioni di ampiezza molto elevata, tali cioè da mettere in pericolo gli attuatori A. Il dispositivo di regolazione può funzionare in modo automatico oppure manuale o eventualmente commutare selettivamente tra un modo di funzionamento e l'altro.
Il sistema secondo la presente invenzione permette di ridurre considerevolmente le vibrazioni ed il rumore all'interno di un autoveicolo pur avendo costi molto contenuti. In un autoveicolo è quindi possibile ridurre il rumore nell'abitacolo indotto dalla strada e trasmesso per via solida dal motore, e contemporaneamente ridurre gli elementi smorzanti attualmente impiegati. In sintesi è possibile ridurre il peso del veicolo aumentandone contemporaneamente il comfort.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione .

Claims (27)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la riduzione delle vibrazioni in almeno un elemento laminare (L) di un veicolo, caratterizzato dal fatto di comprendere in combinazione operativa: mezzi attuatori piezoelettrici (A), applicati a detto elemento laminare (L), atti a produrre sollecitazioni meccaniche in detto elemento laminare (L), mezzi di elaborazione (OCR) , riceventi un segnale (RPM) indicativo della velocità di rotazione di un motore termico di detto veicolo, operativamente connessi a detti mezzi attuatori (A) , atti ad elaborare detto segnale indicativo della velocità di rotazione per generare segnali di controllo per comandare detti mezzi attuatori (A) in vista di ridurre dette deformazioni meccaniche di detto elemento laminare <L).
  2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui dette deformazioni meccaniche sono vibrazioni di detto elemento laminare (L), caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (CCR) sono configurati per generare segnali atti a pilotare detti mezzi attuatori (A) in controfase, relativamente a dette vibrazioni, in vista di ridurle.
  3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (CCR) comprendono mezzi stimatori di rumore (SR), riceventi detto segnale indicativo della velocità (RPM), configurati per generare differenti segnali di pilotaggio per detti mezzi attuatori (A) per differenti valori di detto segnale indicativo della velocità (RPM).
  4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi stimatori di rumore (SR) comprendono mezzi di memoria in cui è memorizzata una pluralità di forme d'onda, elaborate preventivamente, corrispondenti ad una pluralità di detti valori di detto segnale indicativo della velocità (RPM) , detti mezzi stimatori di rumore (SR) essendo configurati per emettere in uscita le forme d'onda corrispondenti ai valori in ingresso di detto segnale indicativo della velocità (RPM).
  5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di memoria comprendono una memoria digitale a sola lettura.
  6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 4 o la 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (CCR) comprendono un'unità elaborativa (C), ricevente in ingresso da detti mezzi stimatori di rumore (SR) dette forme d'onda, atta a generare in uscita segnali periodici di tipo analogico atti a pilotare detti mezzi attuatori (A).
  7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta unità elaborativa (C) comprende circuiti convertitori di tipo analogico digitale e circuiti amplificatori.
  8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta unità elaborativa (C) è configurata in modo da accordare detti segnali periodici in frequenza e in fase rispetto a detto segnale indicativo della velocità (RPM).
  9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto segnale indicativo della velocità è un segnale di ruota fonica (RPM) di detto motore termico.
  10. 10. Sistema secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che dette forme d'onda vengono elaborate, in una fase preliminare, individualmente per ogni autoveicolo.
  11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che dette forme d'onda elaborate individualmente vengono memorizzate in detta memoria a sola lettura.
  12. 12. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 11, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (CCR) sono configurati per comandare detti mezzi attuatori (A) in vista di ridurre rumore acustico in uno spazio prossimo a detto elemento laminare (L).
  13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (CCR) sono configurati per generare segnali atti a pilotare detti mezzi attuatori (A) in controfase, relativamente a detto rumore, in vista di ridurlo.
  14. 14. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 13, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi sensori (S) applicati a detto elemento laminare (L) ed operativamente connessi a detti mezzi di elaborazione (CCR) in vista di correggere detti segnali di pilotaggio.
  15. 15. Sistema secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi di regolazione del guadagno atti a limitare l'ampiezza di detti segnali di pilotaggio nel caso detti mezzi sensori (S) rilevino vibrazioni aventi intensità superiore ad un valore predeterminato in detto elemento laminare (L) .
  16. 16. Sistema secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione del guadagno sono integrati in detti mezzi di elaborazione (CCR).
  17. 17. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 16, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi elevatori di tensione (EV), operativamente connessi a detti mezzi di elaborazione (CCR) ed a detti mezzi attuatori (A), atti ad amplificare detti segnali di controllo.
  18. 18. Sistema secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elevatori di tensione (EV) comprendono un circuito convertitore di tensione atto a generare una tensione maggiore della tensione con cui viene alimentato.
  19. 19. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 18, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (S) e detti mezzi attuatori (A) sono incollati su detto elemento laminare (L) in modo da essere sostanzialmente solidali con esso.
  20. 20. Sistema secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (S) e detti mezzi attuatori (A) sono applicati sostanzialmente sulla stessa porzione di detto elemento laminare (L) .
  21. 21. Sistema secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (S) e detti mezzi attuatori (A) sono applicati sulle due superfici contrapposte di detto elemento laminare <L) .
  22. 22. Sistema secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (S) e detti mezzi attuatori (A) sono resi solidali tra loro e applicati su una superficie di detto elemento laminare (L) .
  23. 23. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 22, caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori (A) sono realizzati in materiale piezoelettrico polimerico.
  24. 24. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 22, caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori (A) sono realizzati in materiale piezoelettrico ceramico.
  25. 25. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 24, caratterizzato dal fatto che comprende una pluralità di detti mezzi attuatori (A) e che detti mezzi di elaborazione comprendono una centralina elettronica di controllo (CCR) avente una pluralità di uscite.
  26. 26. Sistema secondo la rivendicazione 25, caratterizzato dal fatto che detta centralina (CCR) è realizzata in forma di circuito integrato.
  27. 27. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 26, in cui detto elemento laminare (L) è un pannello della carrozzeria di un autoveicolo, caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori (A) sono applicati ad una pluralità di detti pannelli (L) scelti nel gruppo costituito da: cruscotto; parafiamma; pedane cruscotto; pedane centrali; tunnel ; padiglione. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.
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