CN102308117B - 消除扭转振动的减振系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于减弱机器内的轴(1)扭转振动的减振系统，其中，设扭矩传感器(5)用于检测扭转振动；设至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)用于产生机械反向振动；以及设控制器，它时间分辨地检测扭矩传感器(5)的测量信号并产生一个用于反向振动的移相信号并驱动所述致动器(3、4)。此外本发明还涉及一种利用按本发明减振系统消除机器内的轴(1)扭转振动的方法，其中，时间分辨地检测轴(1)扭矩(MA)的扭转振动(dMA)；产生一个用于反向振动(dMD)的移相信号；以及借助至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)产生机械反向振动(dMD)。

Description

消除扭转振动的减振系统和方法
本发明涉及具有各独立权利要求前序部分所述特征的一种消除扭转振动的减振系统、一种减振系统的应用以及一种消除扭转振动的方法。
在轴上转换力的机器基于固有频率和共振效应，会产生不希望的扭转振动，它们造成嗡嗡响的噪音或磨损，或在最不利的情况下引起振动技术上与轴耦合的一个或多个构件产生故障。迄今具有安装在轴上的双质量系统的扭转振动，可以通过改变系统的固有频率抑制或避免。同样有一些系统，它们借助皮带轮上的皮带和具有配重的附属设备减弱扭转振动。在这些方法中，扭转振动通过机械作用抑制，此时附加的质量和机构增加机器的重量及其复杂性。若在旋转的机械系统中通过接通或关闭部分机构改变系统的固有频率，则机械耦合的减振系统也必须适应这种变化，由此进一步增加系统的复杂性。
本发明的目的是，提供消除扭转振动和由扭转振动引起的干扰作用的手段和方法，所述干扰作用尤其是发出声音和/或振动。此外还应能采取一些简单的措施，以适应已改变的振动条件。
在采取行动之前应先说明磁致伸缩与磁致弹性众所周知互相矛盾的物理作用，因为本发明要利用它们。
磁致伸缩的物理意义是指铁磁性材料基于施加的磁场产生变形。在这里物体例如在体积不变时遭受弹性的长度改变。若在铁磁体上施加一个外磁场，则所谓的(外斯)磁畴同向定向。通过旋转双极，杆的长度在约10至30μm/m范围内改变(高磁致伸缩性材料达2mm/m)。铁磁体通过交变磁场被激发机械振动。
在磁致弹性效应的情况下，通过在铁磁性材料上施加机械力作用，按一种与磁致伸缩相反的方式进行(外斯)磁畴的定向，接着该机械力作用造成向外改变的磁导率，该磁导率变化例如可通过与线圈的磁耦合来测量。
尤其按本发明第一方面，亦即设备方面，建议了一种用于减弱转换力的机器内的轴扭转振动的减振系统，它为了达到本发明的目的配备下列装置：
-一个扭矩传感器，用于检测扭转振动；
-至少一个磁致伸缩式致动器，用于产生机械反向振动；以及
-一个控制器，它能时间分辨地检测扭矩传感器的测量信号并能产生一个用于反向振动的移相信号以及驱动所述致动器。
磁致伸缩式致动器优选地有至少一个第一电磁线圈，它设在一个优选地围绕轴的固定装置上。
按本发明一种优选的设计，固定装置锚固在机器外壳上。但由此对轴的同轴度精度提出较高的要求，为的是使致动器与轴之间以及扭矩传感器与轴之间的间隙距离不产生过大的波动。
因此按另一种进一步发展的设计，固定装置连同机器外壳设在一个与轴由不平衡和/或同轴度偏差和/或轴承误差和/或扭转引起的振摆耦合的固定装置内，从而在轴旋转时始终保持预先调定的间隙距离。固定装置由此跟踪轴的振摆。
也有利的是，所述至少一个致动器的作用方向设置为相对于轴的旋转轴线成一个预定的倾斜角，从而使致动器的作用方向尽可能好地与轴表面区内扭应力的方向一致。
第一致动器作用方向相对于轴旋转轴线的倾斜角优选地处于30与60度之间，优选地在40与50度之间，更优选地在43与47度之间，更优选地为45度，以及第二致动器作用方向相对于轴旋转轴线的倾斜角优选地处于255与285度之间，优选地在265与275度之间，更优选地在268与272度之间，更优选地为270度。
所述至少一个磁致伸缩的致动器优选地设计为设在围绕轴的固定装置内的电磁线圈。此外，磁致伸缩式致动器优选地分别有多个优选地环形配置的电磁线圈。
按本发明另一种优选的设计，扭矩传感器和所述至少一个电磁线圈设在一个公共的围绕轴的固定装置内或分别设在一个单独的围绕轴的固定装置内。由此在涉及与应用有关的要求方面能有更大的灵活适应性。
可以进一步提高这种适应性，为此只要设多个围绕轴的固定装置，用于产生多倍增强和协调的反向振动。
因为磁致伸缩效应没有大的作用深度，所以当将轴根据使用设计为空心轴时，使用按本发明的减振系统特别有利。
此外优选地控制器有一种调节算法，它在一个开式或闭式调节回路中进行调节地造成减振。
所述至少一个磁致伸缩式致动器设置为与轴表面有预定间隙地隔开距离。由此按本发明的减振系统可以设计为非接触式并因而不因摩擦而产生磨损。
此外按另一种优选的设计，所述至少一个磁致伸缩式致动器与相邻致动器间隔预定的距离，从而使这些致动器彼此没有干扰性影响。
所述至少一个磁致伸缩式致动器优选地有至少一个第一和一个第二电磁线圈，它们分别规定用于轴的两个相反旋转方向或振动方向之一，其中，第一和第二致动器的作用方向设计为基本上互相垂直。
按本发明再一种优选的设计，互补作用的致动器的第一和第二电磁线圈设置为上下交(叉)叠(置)。
在这里，扭矩传感器优选地按磁致弹性的原理设计，它与磁致伸缩式原理有相反的效应，然而也可以是其他已知的构造方式。
按另一个方面，按本发明的目的通过一种按照上述任一项权利要求所述减振系统的应用达到，用于减小基于轴扭转振动产生的声音和振动。
按再一个方面(在此情况下为方法方面)，本发明的目的通过一种利用上述设计的减振系统减弱机器内轴的扭转振动的方法达到。
为此实施方法的下述步骤：
-时间分辨地检测轴扭矩的扭转振动；
-产生一个用于反向振动的移相信号；以及
-借助至少一个磁致伸缩的致动器产生机械反向振动。
特别有效的减振采取下述措施达到：第一致动器在扭矩(所致)扭转振动的振动最大值时接通电源，而第二致动器在振动最小值时接通电源。由此达到，产生的减振的反向振动总是与扭应力的方向相匹配，所述扭应力的方向每次扭转振动都会改变一次。
采用按本发明的方法可以基本上消除扭转振动，从而例如可以消除发出的干扰噪音或干扰性振动。此外按本发明还可以抑制在现有的轴系统内出现的扭转振动或振动。
下面借助附图表示的实施例说明本发明。其中：
图1表示按本发明的减振系统第一种优选的设计；
图2表示这种减振系统的横剖面；
图3表示按本发明的减振系统第二种优选的设计；
图4表示按本发明的减振系统第三种优选的设计；
图5表示信号和扭矩变化曲线图；
图6示意表示按本发明减振系统的配置；以及
图7、8表示在叠加扭转振动时的扭应力变化曲线。
图1表示按本发明的减振系统11第一种优选的设计。
转换力的机器可旋转地支承在轴承6(见图6)内的轴1受到扭转振动，它们尤其在表面区可以觉察到。扭转振动的频率取决于机械系统的固有频率。
按本发明将围绕轴1的固定装置2尤其设计为环形。按本设计，在固定装置2面朝轴表面的内侧上，设一个扭矩传感器5和多个磁致伸缩式第一和第二致动器3和4，它们布置在轴圆周的周围。
第一致动器3设置为相对于轴1的旋转轴线成第一个倾斜角α，使其电磁产生的力作用与在扭转时相对于轴1的旋转轴线成45度分布的扭应力基本一致。因此第一个倾斜角α优选45度，但也可以处于30与50度之间。
第二致动器4规定针对轴1的另一个旋转方向或振动方向，并因而沿与第一倾斜角互补设计的第二倾斜角β布置。
扭矩传感器优选地也设在同一个固定装置2内侧，以及与轴1的表面不接触地电磁耦合。特别有利的是，所述扭矩传感器5按与磁致伸缩相反的磁致弹性的原理设计。
借助扭矩传感器5时间分辨地检测扭转振动的测量信号，由(未表示的)控制器利用于产生180度相移的控制信号，用于造成反向振动dMD。移相控制信号然后被控制器增强并输出，用于根据轴1的扭转振动方向控制第一致动器3或第二致动器4。
可以在一个轴1上设多个按本发明包括一些磁致伸缩式致动器的固定装置2、2′，以便产生更大的反向振动力作用。
按另一些(未表示的)设计，致动器3、4和扭矩传感器5可以设在各个单独的固定装置上。此外按另一种设计可以在一个固定装置2上只设多个第一致动器3。在后面这种情况下，带有致动器3的结构相同的固定装置2可翻转地装在轴1上，从而通过单一设计就可以覆盖轴1的两种扭转振动方向，其中，一个固定装置以其致动器3相对于轴1的轴线左旋地设置，而第二个结构相同的固定装置则以其致动器3相对于轴1的轴线右旋地装在轴1上。
按一项设计，固定装置2可以与机器外壳(未表示)刚性连接，以及设置为离轴1表面间隔一个预先调定的间隙距离。然而还有利的是按另一种进一步发展的设计，固定装置2相对于机器外壳8“浮动”或灵活地固定(见图5)，从而使固定装置2简便地一起参与或经受轴1基于同轴度偏差、轴承间隙、轴的挠度或扭转所引起的所有振摆。在这种情况下，不仅扭矩传感器5预先调定的间隙距离，而且磁致伸缩式致动器3、4预先调定的间隙距离均始终保持不变，因此能更准确和更有效地测量和有控制地减弱扭转振动。
固定装置2优选地设计为由两个轴瓦(未表示)组成，它们允许通过可拆式螺钉连接装配和拆卸所述固定装置。
图2表示图1所示减振系统的横剖面。尤其可以看出，磁致伸缩式致动器3、4在轴1圆周的周围设在固定装置2内侧上，以及离轴表面间隔一个预先规定的间隙距离，从而不接触并因而不发生摩擦和磨损。
磁致伸缩式致动器3和4彼此优选地分别隔开足够大的距离，所以它们互不施加干扰性的相互影响。
每个磁致伸缩式致动器3或4产生一个交变磁场，该磁场经过规定的间隙距离贯入轴1表面附近的区域内，以及保证(外斯)磁畴的双极定向。沿一个方向定向的(外斯)磁畴促使轴表面附近区域的长度改变，更确切地说沿从所述区域出发的两个方向发生长度变化。因此产生的反向振动dMD沿倾斜角α或β围绕轴1作为扭转振动传播，它与通过扭应力产生的扭转振动方向相反并有180度的相移。
可以在开式或闭式调节回路中按一种调节算法通过调节致动器3和/或4的磁场强度，与检测的扭转振动dMA成比例地调整或控制反向振动dMD的振幅和频率，从而可以借助所述减振系统和方法达到有效地消除扭转振动。
此外，扭矩传感器5优选地设在一个轴区域上方，在该区域内没有致动器3、4作用在轴1上，从而使扭矩传感器5不会由于致动器3、4的影响检测到失真的信号。
在图3中可以看到按本发明的减振系统第二种优选的设计。
与图1所示的设计不同，反向作用的磁致伸缩式致动器3和4在这里设置为上下交叠。它们互不干扰，因为它们决不同时被激活，而是每一组分别针对各自的轴1扭转振动旋转方向被激活。本身相同的致动器3和4彼此仍然有足够的间距，并因而对相邻致动器3或4的工作不施加干扰性影响。
通过致动器3和4的这种交叉或重叠配置，尤其在长度方面达到固定装置2紧凑的结构方式，这对于某些由于位置不足时的应用是有利的。
图4表示按本发明的减振系统第三种优选的设计。
按此设计同样达到固定装置2在长度上紧凑的结构方式，但在这里互补作用的致动器3和4不是上下叠置而是并列地沿圆周线配置。
图5表示时间分辨的信号和扭矩变化曲线图。
扭转振动dMA叠加在一个假定为常数的驱动扭矩MA上。此外还叠加按本发明产生的准确移相的反向振动dMD，从而在理想的情况下通过反向振动dMD消除扭转振动dMA。优选地除了时间分辨外还检测扭转振动的振幅，从而也可以控制反向振动的振幅并执行适当的振幅量。
扭转振动dMA通过一种正弦形的振动表示，它有在假定为常数的驱动扭矩MA上方具有振动最大值dMAmax的半个振动波，以及有在驱动扭矩MA下方具有振动最小值dMAmin的半个振动波。
扭应力在振动最大值dMAmax和振动最小值dMAmin时沿相对于轴的轴线各不相同的具有各自倾斜角α、β的倾斜方向分布，如图1所示。此时发生扭应力旋转方向反向。因此在扭转振动的振动最大值dMAmax时，按本发明仅第一磁致弹性致动器3的线圈通电，而在扭转振动的振动最小值dMAmin时，仅第二磁致弹性致动器4的线圈通电。
因此反向振动dMD的信号分配给第一和第二致动器3和4。所述信号分配优选地可对称地，亦即在正弦振动波过零点时实施。
因此这种包括第一和第二互补定向的致动器3和4优选的配置，与仅包括两个致动器之一的配置相比，有双倍的效果。
图6示意表示按本发明减振系统11的配置。
轴1可旋转地支承在两个轴承6、6中。这些轴承可以设计为滑动轴承、滚珠轴承或滚柱轴承等。在轴1上沿旋转方向施加驱动扭矩MA，输出扭矩MR作为反作用扭矩反作用于驱动扭矩MA，所以轴1承受扭应力。基于机械轴系统的固有频率导致扭转振动，它们尤其在轴1表面附近的区域内加剧并引起扭应力。
轴的铁磁性材料，例如合金钢，由于通过扭应力引起的材料压缩，造成磁导率的磁致伸缩式改变。轴表面材料磁导率的这种时间分辨的变化，通过磁致弹性作用的扭矩传感器5检测，并传输给(未表示的)控制器。控制器既可以设在固定装置2外部，也可以设在其内部。
控制器产生一个相对于检测值移相的减振信号，它接着被放大并应用于根据轴1的旋转方向控制磁致伸缩式致动器3或4。
柔性电缆12有足够的长度，所以通过它可以为致动器3、4和扭矩传感器5以及或许还有控制器供电，并可以交换信号。
按本设计，按本发明带有致动器3、4的固定装置2不是刚性固定在机器的外壳8上，而是柔性悬挂在机器的外壳8上。
一个传动件10在两个铰链7、7处分别与固定装置2和与锚固件9可回转地连接。因此固定装置2在垂直于轴1旋转轴线延伸的平面内，获得至少两个运动自由度。
因此传动件10可以根据轴1的旋转方向，不仅可将拉力而且可将压力传给固定装置2，并将其固定以防它随轴1一起旋转。采用按本发明减振系统这种柔性的悬挂，排除或显著减小了轴1的振摆或振动对于检测扭转振动和对于通过致动器产生反向移相的反向振动的干扰性影响。
图7、8表示在恒定的扭矩MA上叠加扭转振动时扭应力13、14的分布。
为了说明扭转振动，轴1可假定静止不动。现在若轴1在一段长度上例如通过与轴耦合的质量被置于旋转振动或扭转振动之中，则轴1的两端彼此反向转动，以及基于轴1的弹性往复振动。
通过扭转振动引起扭转振动的旋转方向的改变，并伴随引起图7中的扭应力13与图8中的扭应力14有互补的定向方向。
在轴1以恒定的扭矩MA沿一个用箭头表示的旋转方向旋转时，扭转振动叠加在扭矩MA上，此时，前述扭转振动的换向保持不变。
互补定向的扭转振动，在图7中与在图5中表示的扭转振动的振动最大值dMAmax相对应，以及在图8中与扭转振动的振动最小值dMAmin相对应。
采用按本发明的减振系统及方法，不仅可以消除产生噪音的扭转振动，而且还可以消减扭转振动的峰值，由此可以延长系统的使用寿命并因而可以降低成本。
此外，按本发明对于扭转振动的消除，当例如机械系统的固有频率由于接通或断开部分机构而改变时，可自动适应变化的振动条件。另一方面，按本发明的减振系统对机械系统的扭转固有频率没有或几乎不施加影响，而且有重量小的特点。

Claims (17)

1.一种用于消除转换力的机器内的轴(1)扭转振动的减振系统(11)，其中，该机器有一个外壳，其特征为：
-设有扭矩传感器(5)用于检测扭转振动(dMA)；
-设有至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)用于产生机械反向振动(dMD)；
-设有控制器，它时间分辨地检测扭矩传感器(5)的测量信号并产生一个用于反向振动(dMD)的移相信号以及驱动所述致动器(3、4)；
-所述至少一个致动器(3、4)的作用方向设置为相对于轴(1)的旋转轴线成一个预定的倾斜角(α、β)，从而使致动器(3、4)的作用方向尽可能好地与轴(1)表面区内扭应力的方向一致。
2.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述磁致伸缩式致动器(3，4)有至少一个设在固定装置(2)上的第一电磁线圈(3、4)。
3.按照权利要求2所述的减振系统，其特征为，所述固定装置(2)锚固在机器外壳上，或连同该机器外壳设在一个与轴(1)的由不平衡和/或同轴度偏差和/或轴承误差和/或扭转引起的振摆耦合的固定装置(2)内，从而在轴(1)旋转时始终保持预先调定的间隙距离。
4.按照上述任一项权利要求所述的减振系统，其特征为，第一致动器(3)作用方向相对于轴旋转轴线的倾斜角(α)处于30与60度之间，以及第二致动器(4)作用方向相对于轴旋转轴线的倾斜角(β)处于255与285度之间。
5.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)设计为围绕轴(1)的固定装置(2)。
6.按照权利要求2所述的减振系统，其特征为，所述扭矩传感器(5)和所述至少一个电磁线圈(3、4)设在一个公共的围绕轴(1)的固定装置(2)内或分别设在一个单独的围绕轴(1)的固定装置(2)内。
7.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，设有多个围绕轴(1)的固定装置(2)，用于产生多倍增强的反向振动。
8.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述轴(1)是空心轴。
9.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述控制器有一种调节算法。
10.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)设置为与轴(1)表面有预定间隙地隔离。
11.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)与相邻致动器(3、4)间隔一个预定的距离，从而使这些致动器(3、4)彼此没有干扰性影响。
12.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)有至少一个第一和一个第二电磁线圈(3、4)，它们分别规定用于轴(1)的两个相反旋转方向之一，其中，第一和第二致动器(3、4)的作用方向设计为基本上互相垂直。
13.按照权利要求12所述的减振系统，其特征为，互补作用的致动器(3、4)的第一和第二电磁线圈(3、4)设置为上下交叠。
14.按照权利要求1所述的减振系统，其特征为，所述扭矩传感器(5)按磁致弹性的原理设计。
15.一种按照上述任一项权利要求所述减振系统的应用，用于减小基于轴扭转振动产生的声音和/或振动。
16.一种利用按照上述任一项权利要求所述的减振系统消除机器内的轴(1)扭转振动的方法，其特征为：
-时间分辨地检测轴(1)扭矩(MA)的扭转振动(dMA)；
-产生一个用于反向振动(dMD)的移相信号；
-借助至少一个磁致伸缩式致动器(3、4)产生机械反向振动(dMD)；
-所述至少一个致动器(3、4)的作用方向设置为相对于轴(1)的旋转轴线成一个预定的倾斜角(α、β)，从而使致动器(3、4)的作用方向尽可能好地与轴(1)表面区内扭应力的方向一致。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征为，第一致动器(3)在扭矩(MA)扭转振动(dMA)的振动最大值(dMAmax)时接通电源，而第二致动器(4)在振动最小值(dMAmin)时接通电源。
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