DE102004030701B4

DE102004030701B4 - Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch ein schwingungsfähiges System

Info

Publication number: DE102004030701B4
Application number: DE200410030701
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Melcher; Monika Dipl.-Biol. Dr.rer.nat. Junge; Meinhard Wolfgang Gillhoff
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: GILLHOFF, MEINHARD WOLFGANG, 38442 WOLFSBURG, DE; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2024-06-26
Also published as: DE102004030701A1

Abstract

Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch ein primäres schwingungsfähiges System, das eine Eigenfrequenz (f_prim) aufweist, wobei die Vorrichtung ein an das primäre System angekoppeltes sekundäres schwingungsfähiges System aufweist, wobei eine Eigenfrequenz (f_sek) des sekundären Systems zu der Eigenfrequenz (f_prim) des primären Systems in einem ganzzahligen Verhältnis steht und wobei die Ankopplung des sekundären Systems (4) an das primäre System (2) eine Verschiebung der Eigenfrequenz (f_prim) des primären Systems (2) mit einer Änderung einer Zustandsgröße (ϕ) des sekundären Systems (4) und eine Verschiebung der Eigenfrequenz (f_sek) des sekundären Systems (4) mit einer Änderungen einer Zustandsgröße (x) des primären Systems (2) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator (9) zur Anregung des sekundären Systems (4) und eine Steuerung für den Aktuator (9), die eine feste Phasenbeziehung zwischen den beiden Systemen (2, 4) einregelt, vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch ein primäres schwingungsfähiges System mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Das primäre schwingungsfähige System ist typischerweise ein elastisches System, das durch externe Schwingungsanregungen im Bereich seiner Eigenfrequenz bis in den Bereich einer Resonanzkatastrophe hinein anregbar ist. Die hier beschriebene Vorrichtung dient dazu, die Resonanzkatastrophe zu verhindern.

Grundsätzlich ist es möglich, die Resonanzkatastrophe eines Systems durch eine hohe passive Dämpfung des Systems selbst zu verhindern, d.h. durch Mittel, die die eingetragene Schwingungsenergie in dem System selbst in Wärme umwandeln. Häufig ist der hierfür zu betreibende Aufwand jedoch unverhältnismäßig groß oder einer hohen passiven Dämpfung des Systems selbst stehen andere Hinderungsgründe im Wege, wie beispielsweise die Notwendigkeit einer relativ hohen Steifigkeit des Systems, die der Verwendung von energiedissipativen Werkstoffen, wie sie zur Umwandlung der Schwingungsenergie in Wärme notwendig sind, entgegenstehen.

Zur aktiven Schwingungsdämpfung sind so genannte Schwingungstilger bekannt, die eine Tilgereigenfrequenz im Bereich der Eigenfrequenz des primären schwingungsfähigen Systems, dessen Schwingungen zu dämpfen sind, aufweisen und die durch die Schwingun gen des primären schwingungsfähigen Systems ihrerseits zu Schwingungen angeregt werden. Hierdurch wird dem primären schwingungsfähigen System Energie entzogen, die auf den Schwingungstilger übertragen und in diesem in Wärme umgewandelt wird. Nachteilig ist hier, dass ein Schwingungstilger nur in einem engen Bereich um seine Tilgereigenfrequenz eine Schwingungsdämpfung des primären schwingungsfähigen Systems bewirkt. Dieser Bereich wird zwar durch die Dämpfung des Tilgers gegenüber einem reinen Federmassesystem aufgeweitet, doch reicht dies nicht aus, um einer sich durch beispielsweise äußere Einflüsse verschiebenden Eigenfrequenz des primären Systems zu begegnen. Derartige Verschiebungen können sich beispielsweise durch Temperaturveränderungen oder unterschiedliche Belastungen des primären schwingungsfähigen Systems ergeben.

Es ist auch bekannt, ein schwingendes System im engeren Sinne aktiv dadurch zu dämpfen, dass Kräfte über einen Aktuator in das System eingeleitet werden. Wenn diese Kräfte gegenphasig zu den Schwingungsanregungen des primären schwingungsfähigen Systems eingeleitet werden, kann die Schwingungsanregung des primären schwingungsfähigen Systems effektiv unterdrückt werden. Die Wirkungsweise des Aktuators entspricht dabei einer Einstellung der Steifigkeit des primären schwingungsfähigen Systems gegenüber den externen Anregungen auf einen unendlich hohen Wert.

Umgekehrt ist es auch möglich, durch aktiven Aktuatoreingriff die effektive Steifigkeit eines primären schwingungsfähigen Systems gegenüber externen Anregungen auf null einzustellen, so dass das primäre schwingungsfähige System gegenüber den es anregenden Kräften unendlich weich ist, und so ein nennenswerter Energieübertrag vermieden wird. Der apparative Aufwand für einen aktiven Aktuatoreingriff ist in jedem Fall sehr hoch.

Daneben ist es mit aktiven Stellvorrichtungen möglich, die Eigenfrequenz des primären schwingungsfähigen Systems zu verstellen, um sie aus dem Bereich der aktuell auftretenden anregenden Frequenzen herauszubewegen. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sind aber häufig sehr aufwändig bzw. verbieten sich durch Randbedingungen des primären schwingungsfähigen Systems.

Die Realisierungsmöglichkeiten von Vorrichtungen, die eine aktive Nachführung der Tilgereigenfrequenz eines Schwingungstilgers bei einer sich ändernden Eigenfrequenz oder Anregungsfrequenz eines primären schwingungsfähigen Systems bewirken, sind zwar etwas günstiger, doch sind die Einstellmittel auch hier häufig noch sehr aufwändig ebenso wie eine Steuerung, die das jeweilige Einstellmittel ansteuert.

Dies gilt grundsätzlich für alle Schwingungsdämpfungen, die auf Systemen mit Parametern basieren, welche insbesondere dann, wenn sich diejenigen des primären schwingungsfähigen Systems verändern, in einer solchen Weise aufeinander abgestimmt werden müssen, dass sich die gewünschte Schwingungsdämpfung für das primäre schwingungsfähige System ergibt.

Aus Cartmell, Lawson, 1994: "Performance Enhancement of an Autoparametic Vibration Absorber by Means of Computercontrol", Journal of Sound and Vibration (1994), 177 (2), 173–195, ist ein so genanntes autoparametrisches Gesamtsystem bekannt, bei dem die Schwingungsmoden des primären schwingungsfähigen Systems und des sekundären schwingungsfähigen Systems derart gekoppelt sind, dass es in der Folge eines Energieübertrags von Schwingungsenergie von dem primären schwingungsfähigen System auf das sekundäre schwingungsfähige System zu Rückwirkungen von dem sekundären schwingungsfähigen System auf schwingungsrelevante Parameter des primären schwingungsfähigen Systems kommt. D.h., die Eigenfrequenz des primären schwingungsfähigen Systems wird durch das Schwingen des sekundären schwingungsfähigen Systems beeinflusst. Hierdurch tritt eine gewisse Begrenzung der Energieaufnahme des primären schwingungsfähigen Systems durch im Frequenzraum schmalbandige Anregungen auf. Bei der bekannten Vorrichtung sind überdies Mittel vorgesehen, um die Eigenfrequenz des sekundären schwingungsfähigen Systems zu verstellen, um sie an unterschiedliche Eigenfrequenzen des primären schwingungsfähigen Systems so anzupassen, dass die Eigenfrequenz des sekundären schwingungsfähigen Systems halb so groß ist wie die Eigenfrequenz des primären schwingungsfähigen Systems.

Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 694 14 628 D2 bekannt. Hier wird ein dynamischer Schwingungsdämpfer für pendelförmige Konstruktionen, z.B. Seilbahngondeln und dgl., beschrieben. In einer Ausführungsform ist der Schwingungsdämpfer in Form eines Stehpendels an der jeweiligen pendelförmigen Konstruktion vorgesehen. Zwischen dem Stehpendel und der pendelförmigen Konstruktion wirken allenfalls ein Federelement und ein Dämpfungselement. In Bezug auf das Verhältnis der Eigenfrequenz des Schwingungsdämpfers zu der Eigenfrequenz der pendelförmigen Konstruktion ist nur eine Übereinstimmung dieser Eigenfrequenzen angesprochen.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, mit der eine noch wirksamere Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre schwingungsfähige System erreicht wird.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 beschrieben.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die neue Vorrichtung ist ein mehrfach autoparametrisches Gesamtsystem, in dem die Ankopplung des sekundären Systems an das primäre System neben einer Verschiebung der Eigenfrequenz des primären Systems mit Zustandsänderungen des sekundären Systems auch eine Verschiebung der Eigenfrequenz des sekundären Systems mit Zustandsänderungen des primären Systems bewirkt wird. Die Schwingungsmoden der beiden Systeme beeinflussen sich also wechselseitig; anders gesagt sind sie wechselseitig gekoppelt, während im Stand der Technik die Kopplung nur einseitig gegeben ist. Damit wird die Voraussetzung für einen Energieübertrag auf das primäre schwingungsfähige System durch externe Kräfte im Frequenzbereich im Umfeld der Eigenfrequenz des primären Systems, auf die die Eigenfrequenz des sekundären Systems abgestimmt ist, weiter verschlechtert, was der gewünschten Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre schwingungsfähige System in einem größeren Frequenzbereich entspricht. Wenn hier in diesem Zusammenhang von einer Verschiebung der Eigenfrequenz des primären und des sekundären schwingungsfähigen Systems mit Zustandsänderungen des jeweils anderen Systems die Rede ist, bedeutet dies keine langfristigen Verschiebungen der Eigenfrequenzen, wie sie durch externe Einflüsse auftreten. Vielmehr spielen sich diese Verschiebungen der Eigenfrequenz während der Dauer der längeren Schwingung der beiden schwingungsfähigen Systeme ab. Bereits im Mittel über vergleichsweise kurze Zeiträume betrachtet bleiben die Eigenfrequenzen der beiden schwingungsfähigen Systeme wie auch bei einem einfach autoparametrischen Gesamtsystem gleich. Die kurzfristigen Verschiebungen der Eigenfrequenzen, die für eine Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre schwingungsfähige System ausreichend sind, sind aber bei dem neuen, mindestens doppelt autoparametrischen System besonders ausgeprägt.

Die notwendige Kopplung der beiden schwingungsfähigen Systeme, bei der sich Zustandsänderungen des jeweils einen Systems auf die Eigenfrequenz des jeweils anderen Systems auswirken, kann dadurch bewirkt werden, dass sich die Zustandsänderungen des anderen Systems auf schwingungsrelevante Parameter des jeweils einen Systems direkt oder indirekt auswirken. In dem typischen Fall elastischer Systeme sind beispielsweise Auswirkungen elastischer Zustandsänderungen des einen Systems auf elastische Eigenschaften des anderen Systems vorzusehen. Konkrete Beispiele hierzu werden in der Figurenbeschreibung angegeben.

Die Abstimmung der Eigenfrequenzen ist so, dass die Eigenfrequenz des sekundären Systems zu der Eigenfrequenz des primären Systems in einem ganzzahligen Verhältnis steht. Vorzugsweise ist die Eigenfrequenz des sekundären Systems 2n-mal so groß wie die Eigenfrequenz des primären Systems, wobei n eine positive ganze Zahl ungleich null ist. Besonders bevorzugt ist die Eigenfrequenz des sekundären Systems doppelt so groß wie die Eigenfrequenz des primären Systems. Dies hat typischerweise den größten möglichen Einfluss auf die Energieaufnahme des primären schwingungsfähigen Systems durch seine Schwingungsanregung.

Wie bereits angegeben wurde, sind die Eigenfrequenzen des primären und des sekundären schwingungsfähigen Systems bei einer neuen Vorrichtung im Mittel fest und ändern sich nur kurzzeitig. Durch die wechselseitige Kopplung der beiden schwingungsfähigen Systeme ist die neue Vorrichtung dabei nicht auf eine sehr präzise Abstimmung der Eigenfrequenzen der beiden Systeme aufeinander angewiesen. Dennoch kann, insbesondere dann, wenn größere Änderungen der Eigenfrequenz eines der Systeme durch äußere Einflüsse zu erwarten sind, zusätzlich eine Verstimmbarkeit der mittleren Eigenfrequenz eines oder beider Systeme vorgesehen sein. Hierfür sind dann ggf. entsprechende Verstellmittel vorzusehen.

Um die aufgenommene Schwingungsenergie zu dissipieren, ist bei einer neuen Vorrichtung mindestens eines der Systeme passiv gedämpft, also mit Schwingungsenergie in Wärme umwandelnden Mitteln versehen. Vorzugsweise sind beide Systeme passiv gedämpft.

Bei der neuen Vorrichtung ist ein Aktuator zur Anregung des sekundären Systems vorgesehen. Das sekundäre System wird in der Regel allein durch Schwingungen des primären Systems angeregt und auch eine gewünschte Phasenbeziehung zwischen den beiden Systemen stellt sich typischerweise von selbst ein, da aber grundsätzlich auch chaotische oder sogar eine die Schwingungen des primären Systems verstärkende Phasenbeziehungen oder eine erst verspätet einsetzende Anregung des sekundären Systems denkbar sind, macht es Sinn, das sekundäre System willkürlich zu Schwingungen in definierter Phasenbeziehung zu dem primären System anzuregen. Diese Phasenbeziehung geht, wenn sie einmal eingeregelt ist, in der Regel nicht mehr verloren, d.h. sie ist stabil, oder sie kann zumindest mit geringem Aufwand aufrecht erhalten werden.

Eine Steuerung, die den Aktuator ansteuert und die eine feste Phasenbeziehung zwischen den beiden Systemen einregelt, kann vergleichsweise einfach sein, weil keine Amplitudensteuerung notwendig ist. Vielmehr reicht es aus, dass die Phasen der beiden Systeme aufeinander abgestimmt werden.

Idealerweise ist die Phasenbeziehung der beiden Systeme so, dass sie eine relative Anfangsphase von null aufweisen, d. h. die schnellere Schwingung des sekundären schwingungsfähigen Systems als Oberschwingung des primären schwingungsfähigen Systems erscheint.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer exemplarischen Erläuterung des zugrunde liegenden Prinzips und von konkreten Ausführungs- und Anwendungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt
1 eine Vorrichtung mit einem an ein physikalisches Pendel als primäres schwingungsfähiges System angekoppeltes Stehpendel als sekundäres schwingungsfähiges System;
2 die tatsächliche Eigenfrequenz des physikalischen Pendels bei der Vorrichtung gemäß 1 über den Winkel der Auslenkung des Pendels;
3 die Auftragung der Amplituden des primären und des sekundären Systems einmal ohne (a und b) und einmal mit (c und d) doppelter autoparametrischer Kopplung der Schwingungsmoden;
4 eine Vorrichtung, die gegenüber 1 durch einen Aktuator zur Anregung des Stehpendels zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ergänzt ist;
5 eine konkrete Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einer Brücke; und
6 eine konkrete Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an dem Tragflügel eines Flugzeugs.
FIGURENBESCHREIBUNG
Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 sind zwei schwingungsfähige Systeme doppelt miteinander gekoppelt: ein primäres System 2 in Form eines physikalischen Pendels 3 und ein sekundäres System 4 in Form eines Stehpendels 5. Das physikalische Pendel 3 ist kein elastisches System, weil seine Rückstellkraft gegenüber einer Drehung um eine obere Drehachse 6 um einen Winkel φ nicht elastisch ist, sondern auf Gravitationskräften beruht. In der dargestellten Form entspricht das Pendel 3 fast einem mathematischen Pendel, d.h. Fadenpendel, besitzt jedoch eine massebehaftete Stange, wodurch seine Masse örtlich verteilt ist. An seinem unteren Massekörper ist das Stehpendel 5 als astasiertes Pendel feststehend angebracht. Der Stab des Stehpendels 5 ist flexibel und kann sich elastisch verbiegen. Das Stehpendel 5 ist in Form von Biegeschwingungen schwingungsfähig, wobei sein oberer Massekörper 8 seitlich um x und in senkrechter Richtung um y auslenkt wird. Zur Vereinfachung sei jedoch zunächst nur die seitliche Auslenkung betrachtet. Das sekundäre System 4 besitzt seine erste Biegeeigenfrequenz f_0,sek =:f_0,as bei einem ganzzahligen Vielfachen der Eigenfrequenz des primären Systems 2 f_0,prim =:f_0,ph f0,sek = n·f0,prim mit n =1,2,3,.....
Schwingt das sekundäre System, 4 verändert es das Trägheitsmoment des primären Systems 2 J_ph periodisch. Es wirkt also wie ein autoparametrisches System, weil es einen schwingungsrelevanten Parameter des primären Systems 2 periodisch verändern kann. Je nach Phasenlage der Schwingung kann nun eine Verstärkung oder auch eine Reduktion der Schwingungen des primären Systems 2 erwirkt werden. Das sekundäre System 4 ist jedoch zusätzlich so ausgelegt, dass das primäre System 2 auch das sekundäre System 4 autoparametrisch anregen bzw. beeinflussen kann. Die zugehörigen Bewegungsgleichungen der Vorrichtung 1 gemäß 1 sind durch die beiden inhomogenen, gekoppelten Diffentialgleichungen
gegeben. Dabei sind
am primären System 2:

g:: Erdbeschleunigung,
φ:: Winkelauslenkung des physikalischen Pendels 3,
D_ph:: Dämpfung des physikalischen Pendels 3,
J_ph:: Trägheitsmoment des physikalischen Pendels 3 um die Drehachse 6,
M_ph:: Masse des physikalischen Pendels 3,
S_ph:: Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse 6 bei dem physikalischen Pendel 3,
F_ext,ph:: externe Kraftanregung des physikalischen Pendels,
F_as->ph:: externe Kraftanregung des physikalischen Pendels 3 als primäres System 2 an der Verbindungsstelle zu dem Stehpendel 5 als sekundäres System 4 durch Stehpendel-(Reactio)-Kräfte

4

x:: Auslenkung des astasierten Pendels,
D_as: Dämpfung :des astasierten Pendels,
M_as:: effektive Masse des astasierten Pendels,
K_as:: effektive Steifigkeit des astasierten Pendels,
F_ext,as:: externe Kraftanregung des astasierten Pendels,
F_ph->as:: externe Kraftanregung des astasierten Pendels als sekundäres System an der Verbindungsstelle zu dem physikalischen Pendel 3 durch das physikalische Pendel 3 als primäres System (Gravitationskräfte).

Grundsätzlich sind derartige Systeme zweifach miteinander gekoppelt:
Kopplung über die mechanische Verbindung:
Diese Kopplung erfolgt unten an der Befestigung des Stehpendels 5. Es wirken jeweils die Kräfte F_ext,ph und F_ph->as. Für den vorliegenden Fall gilt beispielsweise in guter Näherung gemäß des Hookschen Gesetzes und des Trägheitsgesetzes:
Beide Kräfte sind also zeitvariant. Die Größen l_ph und l_as sind die jeweiligen Längen der Pendel und B_as ist die Biegesteife Bas = Eas·Jas.
E_as ist der Elastizitätsmodul und J_as das Trägheitsmoment
Der Zusammenhang zwischen der effektiven Masse und der effektiven Steifigkeit des astasierten Pendels ist durch die Gleichungen
gegeben.
Kopplung durch parametrische Wechselwirkungen:
Bei dieser Kopplungsart wirken die jeweiligen parametrischen Beeinflussungen, die auch direkt der DGL zu entnehmen sind, bei der die Abhängigkeit der Kenngrößen des einen Systems von der Zustandgröße des anderen Systems angegeben ist: Bei dem physikalischen Pendel 3 sind
das Trägheitsmoment J_ph und
der Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse 6 s_ph
von der Zustandsgröße x des sekundären Systems abhängig. Umgekehrt sind bei dem astasierten Pendel
die effektive Masse M_as und
die effektive Steifigkeit K_as
von der Zustandsgröße φ abhängig. Damit werden beide Eigenfrequenzen f0,as = f0,as(φ)und f0,ph = f0,ph(x)parametrisch und periodisch verändert.
Diese durch Messungen ermittelbare Kennlinien haben beispielsweise den Verlauf gemäß 2. Einerseits bewirkt also eine Lageänderung die Eigenfrequenz des Stehpendels 5, andererseits bewirkt eine Pendelbewegung des Stehpendels 5 eine Änderung der Eigenfrequenz des physikalischen Pendels 3.
Die Konsequenz dieser Effekte ist die Zeitvarianz der jeweiligen Eigenfrequenzen. Sobald die Eigenfrequenzen sich zeitlich verändern, ist die jeweilige strukturelle Antwort im Frequenzraum „verschwommen". Die kinetische Energie wird durch diese Zeitvarianz auf einen größeren Frequenzbereich verteilt.
Damit sind große Amplitudenüberhöhungen nicht mehr möglich. Die Schwingungen beider Systeme 2 und 4 werden in Bezug auf ihre Amplituden begrenzt.
Simulationsergebnisse, die auf der Plattform Matlab/Simulink^® durchgeführt worden und in 3a) bis d) wiedergegeben sind, dokumentieren die Leistungsfähigkeit eines doppelt gekoppelten autoparametrischen Systems bei der Vorrichtung 1. In 3a) sind die Amplituden von Schwingungen des primären Systems 2 bei einer Anregung nahe seiner Eigenfrequenz ohne autoparametrische Kopplung an das sekundäre System 4 dargestellt; 3b) zeigt entsprechend die Amplituden von Schwingungen des sekundären Systems 4. Demgegenüber zeigen die 3c) und d) mit geänderter Skalierung der Amplitudenachse die viel kleineren Amplituden von Schwingungen des primären Systems 2 und des sekundären Systems 4 bei doppelter autoparametrischer Kopplung der Systeme.
Eine in 4 gezeigte Variante der Vorrichtung 1 umfasst eine zusätzliche aktive Ansteuerung von Aktuatoren 9, z.B. von Piezoaktuatoren 10, die an dem Stehpendel 5 angebracht sind. Mit diesen Aktuatoren 9 werden Kräfte F_ext,as generiert, die den Amplitudengang und die Phasenlage des sekundären Systems 4 direkt beeinflussen bzw. vorgeben. Die Ansteuerung kann über eine Steuerung in Form eines Reglers erfolgen, der sein Eingangsignal von einem Sensor (z.B. einem Beschleunigungsaufnehmer) an dem physikalischen Pendel 3 erhält. Mit Hilfe geeigneter Schaltungen sind sehr einfach Signale der doppelten Frequenz generierbar, die phasenkorrekt auf den Piezoaktuator gegeben werden. Auch bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung 1 handelt es sich um ein selbstorganisierendes System. Darüber hinaus besteht mit Hilfe des Aktuators die Möglichkeit, ein evtl. auftretendes ungewolltes Verhalten des Pendelsystems zu korrigieren, z.B. das Abdriften in ein deterministisch chaotisches Verhalten.
Die wesentlichen Vorteile einer doppelt autoparametrischen Vorrichtung 1 zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre System 2 – mit oder ohne Aktuatoren 9 – sind:
Die Schwingungsregulierung ist breitbandig wirksam. Die jeweils erreichbare Bandbreite hängt von dem Kopplungsgrad und den Systemparametern ab.
Die Schwingungsregulierung ist sehr effizient. So genannte Resonanzkatastrophen sind nur noch in dem Fall der Verstärkung möglich, also nur bei ganz bestimmten Phasenlagen des primären und des sekundären Systems, die vermeidbar sind.
Selbst im Fall geringer Dämpfungen D_ph bzw. D_as des primären und des sekundären Systems lassen sich gute Begrenzungen der Amplituden erreichen.
Das Gesamtsystem ist nicht empfindlich gegenüber Änderungen der Randbedingungen (Temperatur, Betriebslasten usw.), da es sich selbst einstellt. Da die Eigenfrequenzen hier per se zeitvariant sind, machen sich geringe Abweichungen von dem optimalen Eigenfrequenzverhältnis kaum bemerkbar.
Schwingungen des primären Systems 2 treten erst gar nicht überhöht auf, da seine Eigenfrequenz zeitvariant ist.
Im Fall mit Aktuatoren 9 ist nur wenig zusätzliche Energie von außen für den Betrieb erforderlich.
Zur Verbesserung der Bandbreite eingesetzte aktive Systeme benötigen zusätzlich Sensoren und Stellglieder und ggf. Regler, die mit einfachsten Schaltungen und Bauteilen aufgebaut werden können.
Mögliche Einsatzgebiete der neuen Vorrichtung sind Brücken mit Torsionsschwingungen, wobei das sekundäre System ein Zusatzgerät ist. Fahrzeuge mit Motor/Batterie als Sekundärsystem, Raumfahrzeuge mit Kapsel als Sekundärsystem und Ausleger. Speziell bei Brücken, und zukünftigen Raumfahrtsystemen mit sehr großen Abmessungen bewirkt ein nachträglich angebautes dynamisch abgestimmtes Zusatzbauteil bzw. die in der Auslegung von vornherein dynamisch abgestimmten Strukturkomponenten durch ihre wechselseitige autoparametrische Wirkung die Verteilung der Schwingungsenergie auf ein breiteres Frequenzband. Bereits im passiven Fall werden beispielsweise bei einer Brücke durch den Fail-Safe-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung die Schwingungen zwar nicht unterdrückt, die Betriebsicherheit durch Vermeidung großer Schwingungsamplituden jedoch sichergestellt.
In 5 ist der Einsatz der neuen Vorrichtung an einer Brücke 11 angedeutet, an der durch Windanregungen gefährliche Torsionsschwingungen auftreten können. An die Brücke 11 als schwingungsfähiges primäres System 2 sind an den Stellen maximaler Schwingungsamplituden seitlich schwingungsfähige Biegeschwinger als sekundäre Systeme angebracht, die zwei grundsätzliche Effekte erfüllen: Durch die räumliche Lageveränderung der Einspannung, die durch die Brückenschwingung verursacht wird, erfährt die Eigenfrequenz des Subsystems eine periodische Variation. Durch die Schwingung des Subsystems wird das Trägheitsmoment der schwingenden Brücke und damit deren Eigenfrequenz periodisch verändert. Bei der in 5 gezeigten typischen Anordnung ist ein lageempfindlicher Biegeschwinger 12 stehend seitlich an der Brücke 11 angeordnet. Er könnte z.B. auch waagerecht oder herabhängend an der Brücke gelagert sein, wobei er jedoch vorzugsweise stehend oder hängend angebracht ist, weil dann sein Einfluss auf die schwingungsrelevanten Parameter der Brücke 11 am größten ist. Der Biegeschwinger 12 wird mit einer hier nicht dargestellten aktiven Einheit in Schwingungen versetzt bzw. geregelt angesteuert.
6 skizziert die Realisation der neuen Vorrichtung bei einem Flugzeug 13. Einem schwingenden Tragflügel 14 des Flugzeugs 13 kann kinetische Energie durch ein speziell autoparametrisch abgestimmtes Triebwerk/Pylon-System als sekundäres System entzogen bzw. zugeführt werden. Der Tragflügel führt eine Biegeschwingung aus. Der Anschluss, d.h. Pylon 15 eines Triebwerks 16 von zwei Triebwerken 16 und 17 ist in Spannweitenrichtungen federnd gelagert und in Profilhöhenrichtung des Tragflügels 14 biegeweich. Das Triebwerk 16 kann somit in Spannweitenrichtung periodisch verschoben werden, was zu einer periodischen Veränderung der Biegeeigenfrequenzen des Tragflügels 14 führt. Andererseits führt die Kopplung über diesen Biegeschwinger dazu, dass auch die Eigenfrequenz des sekundären Triebwerk/Pylon-Systems variiert wird.
Sowohl an den großen Paneels von Solarsystemen von Satelliten als auch an großen orbitalen Gitterstrukturen lassen sich mit denselben Prinzipien und denselben Anordnungen wie vorangehend dargestellt Schwingungsbegrenzungen durch autoparametrische Kopplung erzielen.

1: Vorrichtung
2: primäres System
3: Pendel
4: sekundäres System
5: Stehpendel
6: Drehachse
7: Massekörper
8: Massekörper
9: Aktuator
10: Piezoaktuator
11: Brücke
12: Biegeschwinger
13: Flugzeug
14: Tragflügel
15: Pylon
16: Triebwerk
17: Triebwerk

Claims

Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch ein primäres schwingungsfähiges System, das eine Eigenfrequenz (f_prim) aufweist, wobei die Vorrichtung ein an das primäre System angekoppeltes sekundäres schwingungsfähiges System aufweist, wobei eine Eigenfrequenz (f_sek) des sekundären Systems zu der Eigenfrequenz (f_prim) des primären Systems in einem ganzzahligen Verhältnis steht und wobei die Ankopplung des sekundären Systems (4) an das primäre System (2) eine Verschiebung der Eigenfrequenz (f_prim) des primären Systems (2) mit einer Änderung einer Zustandsgröße (ϕ) des sekundären Systems (4) und eine Verschiebung der Eigenfrequenz (f_sek) des sekundären Systems (4) mit einer Änderungen einer Zustandsgröße (x) des primären Systems (2) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator (9) zur Anregung des sekundären Systems (4) und eine Steuerung für den Aktuator (9), die eine feste Phasenbeziehung zwischen den beiden Systemen (2, 4) einregelt, vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre System (2) und das sekundäre System (4) elastische Systeme sind und dass die Kopplung der beiden Systeme so ist, dass sie wechselseitig ihre elastischen Parameter beeinflussen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz f_sek des sekundären Systems (2) 2n-mal so groß ist wie die Eigenfrequenz f_prim des primären Systems, wobei n eine positive ganze Zahl ungleich null ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz f_sek des sekundären Systems (2) doppelt so groß ist wie die Eigenfrequenz f_prim des primären Systems (4).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz f_sek des sekundären Systems über die Kopplungseinflüsse des primären Systems (4) hinaus verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beiden Systeme (2, 4) passiv gedämpft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Systeme (2, 4) passiv gedämpft sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ein Schwingen der beiden Systeme (2, 4) so einregelt, dass sie eine relative Anfangsphase von null aufweisen.