DE102005027764B4

DE102005027764B4 - Vibrationsgenerierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102005027764B4
Application number: DE200510027764
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Hentschel
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: DE102005027764A1

Abstract

Krafterzeugende Vibrationsgenerierungsvorrichtung zur aktiven Vibrationsreduzierung nach dem Gegenschwingungsprinzip, umfassend:
– eine Taumelscheibeneinrichtung (2) mit einer Taumelscheibe (12), die über ein Betätigungselement (18) um wenigstens eine Kippachse (K) um einen Kippwinkel (α) verstellbar ist und über einen nicht-drehbaren (14) und einen drehbaren Teil (16) verfügt;
– eine mit einer drehzahlkontrollierbaren Antriebseinrichtung verbundene Welle (20) zum Rotieren des drehbaren Teils (16) der Taumelscheibe (12) um mindestens eine Rotationsachse (A);
– mindestens eine Schwingermasse (28), die entlang oder mit einer Führungseinrichtung (20; 40) bewegbar ist, wobei die Schwingermasse (28) im gekippten Zustand der Taumelscheibe (12) und bei einer Dreh- und Taumelbewegung der Taumelscheibe (12) über mindestens eine Steuerstange (30) entlang oder mit der Führungseinrichtung (20, 40) kontrolliert oszillierend bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Teil (16) der Taumelscheibe (12) drehfest auf der Welle (20) angeordnet ist und die Schwingermasse (28) in Bezug zur Antriebseinrichtung als ein separates Bauteil...

Description

Die Erfindung betrifft eine krafterzeugende Vibrationsvorrichtung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
Bei dynamischen Systemen, wie z. B. Maschinen, Motoren, Kraftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen oder auch Luftfahrzeugen und dergleichen treten im Betrieb Vibrationen auf, die sowohl zu unerwünschten Lärmemissionen als auch zu strukturellen Belastungen der betreffenden Objekte führen. Bei Drehflügelflugzeugen, wie z. B. Hubschraubern, sind derartige Vibrationserscheinungen besonders ausgeprägt; sie resultieren z. B. aus Getriebeschwingungen oder periodischen Erregungen, die primär von einem Hauptrotor des Hubschraubers ausgehen und auf die Hubschrauberzelle übertragen werden.
Eine gattungsgemäße, sämtliche Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 aufweisende, krafterzeugende Vibrationsgenerierungsvorrichtung ist in der EP 0 067 548 A1 offenbart. Diese bekannte Vorrichtung stellt einen Taumelscheibenvibrationsgenerator bzw. Kraftgenerator dar, der als aktive Vibrationsreduzierungseinrichtung verwendbar ist. Durch Einstellung eines Kippwinkels an der dort offenbarten Taumelscheibe 10 wird der als Schwingermasse eingesetzte Antriebsmotor 1, welcher unter Vorspannung mittels einer Schraubenfeder 12 in einem Gehäuse aufgehängt ist, in Oszillationsbewegungen versetzt um so oszillierende Kräfte auf eine wie immer geartete in Gegenschwingung befindliche Struktur zu übertragen. Die Frequenz der erzeugten Oszillationsbewegungen entspricht dabei der Drehzahl des Motors, die Amplitude ist durch den Kippwinkel der Taumelscheibe 10 veränderbar bis zu einem Maximalwert S.
Ein Nachteil dieser vorbekannten Vibrationsgenerierungsvorrichtung ist darin zu sehen, dass die Antriebsleistung und die Schwingermasse voneinander abhängig sind, indem der Antriebsmotor 1 selbst als Schwingermasse eingesetzt wird. Dadurch können Antriebsleistung und Schwingermasse nicht unabhängig voneinander gewählt werden, was das Einsatzspektrum dieser Vorrichtung einschränkt. Ein weiterer Nachteil der vorbekannten Vorrichtung wird darin gesehen, dass die Kopplung zwischen dem Mitnehmer 5 und der Taumelscheibe 10 bzw. deren rotierenden Teil 6 nur durch Andrücken des Mitnehmers 5 bzw. des gesamten Motors 1 über die vorgespannte Feder 12 in einer Richtung gegen die Taumelscheibe erfolgt. Um auszuschließen, dass infolge einer Eigenschwingung der Schwingermasse 1 der Mitnehmer 5 von der schräggestellten rotierenden Taumelscheibe 6 unbeabsichtigt abhebt (im unteren Umkehrpunkt) muss eine relativ große Vorspannkraft der Feder 12 eingestellt sein. Diese Vorspannkraft muss jedoch bei jedem Aufwärtshub der Taumelscheibe überwunden werden, so dass hierdurch relativ hohe Antriebsleistung gebraucht wird. Da bei den üblicherweise als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmotoren solcher Vorrichtungen Frequenz und Leistung nicht völlig unabhängig voneinander wählbar sind, ist man hier im Anwendungsbereich durch diese Gestaltung wiederum eingeschränkt. Schließlich ist ein weiterer Nachteil der vorbekannten Vorrichtung darin zu sehen, dass die Halterung bzw. Führung der Schwingermasse – im vorliegenden Fall identisch mit dem Antriebsmotor 1 – nur durch eine Schraubenfeder 12 erfolgt. Bei einer solchen Halterung bzw. Führung ist eine exakte Oszillationsbewegung in nur einer Raumrichtung nicht sicher zu gewährleisten. Vielmehr wird in der praktischen Anwendung die Schwingermasse, das ist in diesem Fall der Antriebsmotor, Oszillationsbewegungen in mehreren Raumrichtungen ausführen. Dadurch können unerwünschte Schwingungen in die zu dämpfende Struktur eingeleitet werden und somit die vorteilhafte Wirkung der Vibrationsgenerierungsvorrichtung zumindest teilweise zunichte gemacht werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe bzw. das technische Problem zugrunde, eine Vibrationsgenerierungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die besonders einfach und effektiv ist, bei der die Frequenz, die Phase und die Amplitude der erzeugten Vibrationen bzw. Gegenschwingungen über einen weiten Bereich unabhängig voneinander variiert und den jeweiligen Vibrationsverhältnissen der zu beeinflussenden Struktur angepasst werden können und die durch exakte vorgebbare Schwingungsrichtung für luftfahrttechnische Anwendungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
In bekannter Art und Weise umfasst die krafterzeugende Vibrationsgenerierungsvorrichtung eine Taumelscheibeneinrichtung mit einer Taumelscheibe, die über ein Betätigungselement um wenigstens eine Kippachse verstellbar ist und über einen nicht-drehbaren und einen drehbaren Teil verfügt; eine mit einer drehzahlkontrollierbaren Antriebseinrichtung verbundene Welle zum Rotieren des drehbaren Teils der Taumelscheibe um mindestens eine Rotationsachse, sowie mindestens eine Schwingermasse, die entlang oder mit einer Führungseinrichtung bewegbar ist, wobei die Schwingermasse im gekippten Zustand der Taumelscheibe und bei einer Dreh- und Taumelbewegung der Taumelscheibe über mindestens eine Steuerstange entlang oder mit der Führungseinrichtung kontrolliert oszillierend bewegbar ist.
Erfindungsgemäß ist der drehbare Teil der Taumelscheibe drehfest auf der Welle angeordnet und die Schwingermasse ist in Bezug zur Antriebseinrichtung als ein separates Bauteil ausgebildet, wobei die Steuerstange über ein erstes Ende mit dem auf der Welle angeordneten drehbaren Teil der Taumelscheibe und über ein zweites Ende mit der in Bezug zur Antriebseinrichtung als separates Bauteil ausgebildeten Schwingermasse gekoppelt ist.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der eingangs beschriebenen Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach dem Stand der Technik besteht darin, dass aufgrund der Ausbildung der Schwingermasse als ein in Bezug zur Antriebseinrichtung separates Bauteil die Antriebsleistung und die Schwingermasse voneinander unabhängig gewählt werden können. Dadurch wird ein breites Einsatzspektrum der erfindungsgemäßen Vibrationsgenerierungsvorrichtung geschaffen und es wird vermieden, dass dann, wenn eine hohe Schwingermasse gewünscht ist, gleichzeitig eine hohe Antriebsleistung installiert werden muss bzw. umgekehrt, wenn hohe Antriebsleistung notwendig ist, auch geringe Schwingermasse vorgesehen werden kann.
Die Taumelscheibeneinrichtung mit ihrer Taumelscheibe besitzt vorteilhafte Mehrfachfunktionen. Rotiert der drehbare Teil der Taumelscheibe, ist die Taumelscheibe jedoch nicht gekippt, so steht die Schwingermasse still. Sobald die Taumelscheibe jedoch gekippt wird, wird die Rotation des drehenden Teils der Taumelscheibe über die Steuerstange in eine oszillierende Linearbewegung der Schwingermasse umgesetzt.
Aufgrund der oszillierenden Bewegung der Schwingermasse und ihrer Massenträgheit werden oszillierende Kräfte in Führungsrichtung erzeugt. Diese Kräfte bzw. Schwingungen können z. B. über die Lagerung der Taumelscheibeneinrichtung und/oder der Führungseinrichtung als Gegenkräfte bzw. Gegenschwingungen auf eine vibrierende Struktur, die mit der erfindungsgemäße Vorrichtung verbunden wird, übertragen werden und sich mit den dort auftretenden Vibrationen überlagern. Dadurch kann bei geeigneter Abstimmung (Frequenz, Amplitude und Phase) der in die Struktur eingeleiteten Vibrationen eine Reduzierung oder sogar Eliminierung der störenden Vibrationen der Struktur erzielt werden.
Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, dass die Begriffe „Gegenkräfte”, „Gegenschwingungen” und „gegenphasig” im Sinne der Erfindung nicht so zu verstehen sind, dass diese stets exakt um 180° zu den auftretenden Kräften, Schwingungen bzw. Phasen der zu minimierenden Vibrationen versetzt sein müssen. Dies ist dadurch bedingt, dass bei bestimmten Einbausituationen ein Übertragungsverhalten zwischen der erfindungsgemäßen Vibrationsgenerierungsvorrichtung und der vibrierenden Struktur auftreten kann, welches bereits eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den zu reduzierenden Vibrationen und den einzuleitenden Gegenschwingungen verursacht. Hier kann also eine entsprechende Anpassung erforderlich sein, die sich in einer Phasenverschiebung der Gegenkräfte bzw. Gegenschwingungen von kleiner oder größer als 180° äußert.
Die Taumelscheibe fungiert jedoch nicht nur als Starteinrichtung bzw. Abschalteinrichtung für die Bewegung der Schwingermasse sowie als deren Antriebseinrichtung, sondern ermöglicht gleichzeitig auch ein präzises Einstellen der Schwingungsamplitude der Schwingermasse.
Die gewünschte bzw. jeweils erforderliche Amplitude lässt sich hierbei stufenlos über den Kippwinkel bzw. die Schrägstellung der Taumelscheibe einstellen bzw. vorbestimmen. Durch die Taumelscheibeneinrichtung können große Hübe der Schwingermasse und damit große Schwingungsamplituden und Schwingungskräfte erzeugt werden. Darüber hinaus benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung generell nur eine einzige schwingende Masse, die aufgrund der zuvor erläuterten Sachverhalte zudem relativ leicht sein kann. Deshalb besitzt die erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung in Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen gleicher Stärke ein geringeres Gewicht. Dies ist besonders für luftfahrttechnische Anwendungen von Vorteil. Die für die Erzeugung geeigneter Gegenschwingungen erforderliche Phasenlage der oszillierenden Schwingermasse kann über eine geeignete Synchronisierung der Drehzahl der Taumelscheibe eingestellt werden. Für die Rotation der Taumelscheibe ist grundsätzlich nur ein einzelner Antrieb erforderlich, der entsprechend steuer- oder regelbar sein sollte. Der erforderliche Steuer- bzw. Regelaufwand ist aufgrund der Einfachheit dieses Systems jedoch sehr gering. Der Antrieb benötigt auch nur eine vergleichsweise geringe Leistung und kann somit ebenfalls sehr leicht ausgestaltet werden.
Da die Schwingermasse an oder auf einer Führungseinrichtung geführt bzw. an dieser gehalten ist, besteht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung anders als z. B. bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik nicht die Gefahr von unkontrollierten Querschwingungen.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Vibrationsgenerierungsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 12.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine schematische Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform in einem ersten Betriebszustand; und
2 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1,
3 eine schematische Längsschnittansicht durch die erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung der ersten Ausführungsform in einem zweiten Betriebszustand; und
4 eine schematische Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren werden zur Vermeidung von Wiederholungen gleiche Bauteile und Komponenten auch mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, sofern keine weitere Differenzierung erforderlich oder sinnvoll ist.
In der 1 ist in einer schematischen Längsschnittansicht eine erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung in einem ersten Betriebszustand dargestellt. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1. Die Vibrationsgenerierungsvorrichtung umfasst eine Taumelscheibeneinrichtung 2, die in einem Gehäuse 4 gelagert ist. In der Zeichnung sind von dem Gehäuse 4 ein Bodenelement 6 und zwei voneinander beabstandete Seitenwände 8, 10 gezeigt. Die Taumelscheibeneinrichtung 2 besitzt eine Taumelscheibe 12, die über einen nicht-drehbaren Teil 14 und einen drehbaren Teil 16 verfügt. Der drehbare Teil 16 besitzt einen inneren scheibenförmigen Abschnitt 16a, von dem sich zwei Armabschnitte 16b, 16c radial nach außen erstrecken (siehe 2). Ausführungsformen mit nur einem Armabschnitt sind ebenfalls realisierbar. Die Taumelscheibe 12 ist über ein Betätigungselement 18 (hier: ein Betätigungshebel) um eine Kippachse K verstellbar bzw. schwenkbar. In dem in 1 gezeigten ersten Betriebszustand befindet sich die Taumelscheibe 12 in einer Neutralstellung, d. h. der Kippwinkel α (siehe 3) der Taumelscheibe 12 beträgt 0°. Mit dem Betätigungselement 18 ist eine nicht gezeigte, kontrollierbare, d. h. steuer- und/oder regelbare Stelleinrichtung gekoppelt, die zum Verstellen des Betätigungselementes 18 dient. Bei dieser Stelleinrichtung kann es sich z. B. um einen elektromechanischen Aktuator, einen Piezoaktuator, oder ein anderes geeignetes Stellglied handeln.
Die Vibrationsgenerierungsvorrichtung ist des Weiteren mit einem Antriebselement 20 zum Rotieren des drehbaren Teils 16 der Taumelscheibe 12 um eine Rotationsachse A ausgestattet. Bei dem Antriebselement handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine Welle 20 bzw. Antriebswelle, die sich im Wesentlichen über die gesamte Breite des Gehäuses 4 erstreckt und mit ihren beiden Enden in Lagern 22, 24 gelagert ist, die in der in der 1 linken und rechten Gehäusewand 8, 10 angeordnet sind. Das rechte Lager 24 ist in einer Buchse 26 gehalten, die in die rechte Gehäusewand 10 eingepasst und mit dieser verschraubt ist. Die Welle 20 trägt die Taumelscheibeneinrichtung 2, und die Kippachse K erstreckt sich quer durch die Welle 20 hindurch. Die Welle 20 ist mit einer in den Figuren nicht dargestellten drehzahlkontrollierbaren, d. h. drehzahlsteuerbaren und/oder drehzahlregelbaren Antriebseinrichtung verbunden. Bei dieser Antriebseinrichtung kann es sich z. B. um einen Elektromotor oder einen anderen geeigneten Antrieb handeln.
Ferner ist die Vibrationsgenerierungsvorrichtung mit einer Schwingermasse 28 ausgestattet, die entlang einer Führungseinrichtung linear beweglich angeordnet ist. Als Führungseinrichtung dient im vorliegenden Fall die Welle 20, die sich synchron mit dem drehbaren Teil 16 der Taumelscheibe 12 mitdreht. Die Schwingermasse 28 besitzt eine zylindrische Form und ist axial verschieblich auf der Welle 20 gelagert. Hierzu besitzt die Schwingermasse 28 eine zentrale Bohrung, durch die sich die Welle 20 konzentrisch hindurch erstreckt. Obwohl die Schwingermasse 28 in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zu der axialen Verschiebbarkeit auch drehfest mit der Welle 20 verbunden sein kann, so dass die Schwingermasse 28 sich synchron mit der Welle 20 mitdreht, ist sie im vorliegenden Fall durch eine nicht gezeigte integrierte Lagereinrichtung relativ zur Welle 20 drehbar auf dieser gehalten. Bei dieser Konstruktion wird ein synchrones Mitdrehen der Schwingermasse 28 mit der Welle 20 mit anderen Mittel gewährleistet, wie nachstehend beschrieben ist.
Wie aus der 1 hervorgeht, ist die Vibrationsgenerierungsvorrichtung überdies mit mindestens einem Steuerelement 30 ausgerüstet, welches an einem ersten Ende gelenkig (G1) mit dem drehbaren Teil 16 der Taumelscheibe 12 und mit dem anderen, zweiten Ende gelenkig (G2) und vorzugsweise mittig an der Schwingermasse 28 befestigt ist. Bei diesem Steuerelement handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine einzelne Steuerstange 30. Das der Schwingermasse 28 zugeordnete Ende der Steuerstange 30 ist im vorliegenden Beispiel gegabelt, so dass deren Gabelschenkel jeweils seitlich an der Schwingermasse 28 angreifen. In anderen Ausführungsformen könnte die Steuerstange jedoch auch andersartig ausgebildet sein und z. B. exzentrisch an der Schwingermasse 28 angreifen. In der Zeichnung ist die Steuerstange 28 der besseren Übersichtlichkeit halber als einfache Linie angedeutet. Da die Taumelscheibe 12 in diesem Ausführungsbeispiel nur über eine einzelne Steuerstange 30 verfügt, die sich schräg und exzentrisch zur Rotationsachse A erstreckt, dient der in 2 gezeigte untere Abschnitt des drehenden Teils 16 in diesem Beispiel als Gegen- und Ausgleichsgewicht, welches eine Unwucht der Konstruktion verhindert.
Die Steuerstange 30 hat Mehrfachfunktionen. Sie dient bei einer Rotation des drehenden Teils 16 zunächst einmal als Mitnehmer für die Schwingermasse 28, so dass sich diese synchron mit der Welle 20 mitdreht. Im gekippten Zustand der Taumelscheibe 12 und bei einer Dreh- und Taumelbewegung derselben treibt die Steuerstange 30 darüber hinaus die Schwingermasse 28 an und bewegt diese entlang der als Führungseinrichtung dienenden Welle 20 kontrolliert oszillierend hin und her.
Diese oszillierende Bewegung ist in der 3 angedeutet, die eine schematische Längsschnittansicht durch die erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand zeigt, in dem die Taumelscheibe 12 um einen Kippwinkel α > 0 gekippt ist. Der oberhalb der Drehachse A gezeigte Teil der 2 veranschaulicht eine erste Extremposition der Steuerstange 30 bei einer ersten Drehposition der Welle 20 bzw. des drehenden Teils 16. Und der unterhalb der Drehachse A gezeigte Teil der 2 veranschaulicht eine zweite Extremposition der Steuerstange 30 bei einer zweiten Drehposition der Welle 20 bzw. des drehenden Teils 16. Diese zweite Extremposition ist gegenüber der ersten Extremposition um einen Drehwinkel von 180° versetzt. Es ist ersichtlich, dass die Steuerstange 30 bei einer vollständigen Umdrehung der Welle 20 bzw. des drehenden Teils 16 um 360° die Schwingermasse 28 von der in der 3 gezeigten rechten Maximalauslenkungsposition PR (siehe oberen Teil der 3) über eine Neutralposition N hinweg zu einer linken Maximalauslenkungsposition P_L (siehe unterer Teil der 3) und wieder zurück zur rechten Maximalauslenkungsposition PR bewegen wird.
Die durch die Maximalauslenkungspositionen P_R und P_L erkennbare Amplitude der Oszillationsbewegung der Schwingermasse 28 ist hierbei eine Funktion des Kippwinkels α der Taumelscheibe 12 und des radialen Abstandes D_R1 des ersten Endes der Steuerstange 30 von der Rotationsachse A. Auch der radiale Abstand D_R2 des zweiten Endes der Steuerstange 30 von der Rotationsachse A kann in bestimmten Ausführungsformen einen Einfluss auf die Amplitude der Schwingermasse 28 haben. Dies kann z. B. dann der Fall sein, wenn zwischen dem drehbaren Teil 16 der Taumelscheibe 12 und der Schwingermasse 28 eine Übersetzungseinrichtung bzw. eine Getriebeeinrichtung angeordnet ist, welche die Größe der kontrollierten oszillierenden Bewegung der Schwingermasse 28 bestimmt bzw. mit beeinflusst. D_R2 ist in diesem Beispiel jedoch Null. Da die Abstände D_R1 und D_R2 konstruktiv fest vorgegeben sind, kann die Amplitude einfach über eine Veränderung des Kippwinkels α stufenlos verstellt werden. Ist der Kippwinkel α = 0, ist auch die Amplitude gleich Null, d. h., die Schwingermasse 28 steht in axialer Richtung der Welle 20 still.
In den 1 und 3 sind weitere bevorzugte Ausgestaltungsdetails der erfindungsgemäßen Vibrationsgenerierungsvorrichtung dargestellt. Wie in diesen Zeichnungen erkennbar, ist die Schwingermasse 28 zwischen zwei gegeneinander wirkenden Vorspannelementen 32, 34 angeordnet. Als Vorspannelemente werden in diesem Beispiel zwei Schraubenfedern 32, 34 verwendet, die konzentrisch zur Welle 20 und um diese herum angeordnet sind.
Die erste, in den 1 und 3 linke Schraubenfeder 32 stützt sich mit ihrem ersten, linken Ende an einem ersten, linken flanschförmigen Abstützelement 36 ab. Dieses erste Abstützelement 36 ist vor der Taumelscheibeneinrichtung 2 angeordnet und axial fest sowie vorzugsweise auch drehfest mit der Welle 20 verbunden. Das zweite, rechte Ende der ersten Schraubenfeder 32 stützt sich an einer linken Seite der Schwingermasse 28 ab.
Die zweite, in den 1 und 3 rechte Schraubenfeder 34 stützt sich mit ihrem ersten, linken Ende an einer rechten Seite der Schwingermasse 28 ab. Das zweite, rechte Ende der zweiten Schraubenfeder 34 stützt sich an einem zweiten, rechten Abstützelement 38 ab. Dieses zweite Abstützelement 38 ist an einem rechten Endbereich der Welle 20 bzw. vor der rechten Seitenwand 10 angeordnet und axial fest sowie vorzugsweise auch drehfest mit der Welle 20 verbunden. Die Anordnung und die Ausgestaltungsweise der Schraubenfedern 32, 34 kann so gewählt sein, dass diese in der in 1 gezeigten Neutralstellung der Taumelscheibe 12 (Kippwinkel α = 0) und der Schwingermasse 28 entweder bereits vorgespannt sind, oder erst durch eine Auslenkung bzw. Bewegung der Schwingermasse 28 in entsprechender Richtung gegen die Bewegungsrichtung der Schwingermasse 28 vorgespannt werden.
Dieser Federmechanismus stellt eine mit der Schwingermasse 28 gekoppelte Energiespeichereinrichtung dar, welche zumindest einen Teil der kinetischen Energie der sich in einer Richtung bewegenden Schwingermasse 28 temporär speichert und bei einer Bewegung der Schwingermasse 28 in einer entgegengesetzten Richtung wieder an die Schwingermasse 28 abgibt. Dadurch verringern sich im laufenden Betrieb die zum Antrieb der Taumelscheibeneinrichtung 2 notwendigen Drehmomente und damit auch die zum Bewegen der Schwingermasse 28 erforderliche Antriebsleistung. Ferner lassen sich in Abhängigkeit der Federcharakteristik und der Schwingermasse auch bestimmte Rückstell- und Schwingungseigenschaften bzw. Resonanzeigenschaften erzielen.
Sofern die Abstützelemente 36, 38 nicht drehfest (bzw. drehfest und formschlüssig) mit der Welle 20 verbunden sind, werden sie entweder durch die infolge der Vorspannung der Schraubenfedern 32, 34 oder infolge der zwischen der Welle 20 und den Abstützelementen 36, 38 bestehenden Reibung synchron mit einer Drehung der Welle 20 bzw. des drehbaren Teil 16 mitgenommen. Zwischen dem drehbaren Teil 16, der rotierenden Welle 20, der mit dieser rotierenden Schwingermasse 28, den Abstützelementen 36, 38 und den Schraubenfedern 32, 34 besteht hier also keine Relativbewegung. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Schraubenfedern 32, 34 und ihre Abstützelemente 36, 38 mit Hilfe von Axiallagern von der Welle 20 bzw. der mit dieser rotierenden Schwingermasse 28 kinematisch zu entkoppeln. Diese Konstruktion ist jedoch aufwendiger als die zuvor beschriebene.
Die erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung verfügt in diesem Ausführungsbeispiel über eine nicht gezeigte Kontrolleinrichtung, d. h. eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, welche einen Eingang besitzt, der mit mindesten einem Sensor (nicht gezeigt) verbunden ist, der mindestens eine Kenngröße einer störenden Vibration erfasst und diese mindestens eine Kenngröße als Eingangs- und Referenzsignal an den Eingang liefert. Im vorliegenden Beispiel erfasst der mindestens eine Sensor als Kenngrößen laufend die Frequenz, Phase und Amplitude der störenden Vibrationen. Selbstverständlich sind auch mehrere Sensoren möglich, die jeweils eine oder mehrere der besagten Größen erfassen. Die Kontrolleinrichtung weist eine Datenverarbeitungseinrichtung auf, welche mit dem Eingang verbunden ist und das Referenzsignal bzw. dessen Dateninhalte verarbeitet. Bei dieser Verarbeitung wird eine Gegenphase zur Phase der störenden Vibration sowie ein der jeweils aktuellen Amplitude der störenden Vibration angepasster, erforderlicher Taumelscheiben-Kippwinkel α ermittelt.
Des Weiteren besitzt die Kontrolleinrichtung mindestens einen Ausgang, der mit der Datenverarbeitungseinrichtung sowie der Antriebseinrichtung und der Stelleinrichtung gekoppelt ist. Die Datenverarbeitungseinrichtung liefert über diesen mindestens einen Ausgang a) ein die Frequenz und Gegenphase repräsentierendes erstes Kontrollsignal an die Antriebseinrichtung und b) ein den erforderlichen Taumelscheiben-Kippwinkel α und damit die Amplitude der beweglichen Schwingermasse 28 repräsentierendes zweites Kontrollsignal an die Stelleinrichtung. Das erste und zweite Kontrollsignal können – müssen jedoch nicht zwangsläufig – in einem einzelnen Ausgangssignal der Datenverarbeitungseinrichtung enthalten sein.
Auf der Grundlage des ersten Kontrollsignals rotiert die Antriebseinrichtung mit Hilfe der Welle 20 den drehenden Teil 16 der Taumelscheibe 12 mit der Frequenz der störenden Vibrationen und gegenphasig zu diesen. Mit anderen Worten: auf der Basis des ursprünglichen Eingangs- bzw. Referenzsignals ist die Phasenlage der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Vibrationen bzw. oszillierenden Kräfte mit den störenden Vibrationen entsprechend synchronisiert.
Auf der Grundlage des zweiten Kontrollsignals kippt die Stelleinrichtung über das Betätigungselement 18 die Taumelscheibe 12 auf den ermittelten erforderlichen Taumelscheiben-Kippwinkel α, so dass die Taumelscheibe 12 die Schwingermasse 28 mit der Frequenz der störenden Vibration und gegenphasig zu dieser mit im Wesentlichen der gleichen Amplitude oszillierend bewegt. Somit können die störenden Vibrationen durch Gegenschwingungen kompensiert werden. Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung fungiert dadurch als aktive Vibrationsreduzierungseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung wird im Sinne der Erfindung deshalb vorzugsweise als aktive Vibrationsreduzierungseinrichtung in vibrierenden dynamischen Systemen, insbesondere in einem Hubschrauber, verwendet.
Die Ausrichtung der durch die Führungseinrichtung bestimmten Schwingungsrichtung der Schwingermasse 28 soll zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades parallel zu der an der Struktur auftretenden Hauptschwingungsrichtung erfolgen.
Der 4 ist eine schematische Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vibrationsgenerierungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zu entnehmen. Anders als bei der Variante gemäß den 1 bis 3 ist die Schwingermasse 28 hier jedoch nicht auf der Welle 20, sondern auf einem davon getrennten Blattfederelement 40 gelagert. Dieses Blattfederelement 40 dient sowohl als Führungseinrichtung als auch (entsprechend den Schraubenfedern 32, 34 der o. g. ersten Variante) als Energiespeichereinrichtung. Die Steuerstange 30 ist hier als einfaches stabförmiges Element ausgestaltet. Das in der 4 rechte Ende der Steuerstange 30 ist mittig, gelenkig und drehbar (G3) an der Schwingermasse 28 befestigt. Bei einer Rotation des drehenden Teils 16 der gekippten Taumelscheibe 12 wird die Schwingermasse 28 wiederum oszillierend bewegt, wie in der 4 durch Doppelpfeile angedeutet ist, und hierbei durch die Blattfeder 40 in der Bewegungsrichtung geführt. Anstelle einer Blattfeder 40 könnte z. B. auch eine Schraubenfeder verwendet werden, die sich in Richtung der Achse A erstreckt und über eine geeignete Führung an oder in der rechten Seitenwand 10 und der Schwingermasse 28 befestigt ist.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben konkret beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. So kann die Form des drehbaren Teils 16 der Taumelscheibe 12 jede andere geeignete Gestalt besitzen und z. B. auch kreisrund, sternförmig oder andersartig symmetrisch bzw. asymmetrisch ausgestaltet sein. Auch die Form der Schwingermasse 28 ist nahezu beliebig wählbar, wobei jedoch der jeweiligen Einbausituation und insbesondere der erforderlichen Kopplung zum drehbaren Teil 16 der Taumelscheibe 12 Rechnung zu tragen ist. Die Schwingermasse 28 kann grundsätzlich auch aus mehreren Einzelmassen zusammengesetzt sein, die in bestimmten Anwendungsfällen sogar in axialer Richtung der Führungseinrichtung voneinander beabstandet sein können. Zudem ist es denkbar, auch mehrere Steuerelemente bzw. Steuerstangen zu verwenden. Anstelle von Steuerstangen ist überdies der Einsatz andersartiger Steuerelemente denkbar. Grundvoraussetzung ist lediglich, dass diese die Taumelbewegung des rotierenden Teils 16 der Taumelscheibe 12 in eine oszillierende Bewegung der Schwingermasse 28 umsetzen können.
Obwohl in den obigen Ausführungsbeispielen die Taumelscheibe nur um eine Kippachse schwenkbar angeordnet wurde, ist es grundsätzlich selbstverständlich möglich, eine erfindungsgemäße Konstruktion bereit zustellen, bei der die Taumelscheibe um mehrere Kippachsen schwenkbar ist.
Eine Taumelscheibeneinrichtung ist im Sinne der Erfindung auch dadurch realisierbar, dass ein drehbares Teil der Taumelscheibe z. B. auf einem feststehenden, schräggestellten scheibenartigen Grundkörper oder einem anderen Element läuft, welches den besagten Teil in eine Taumelbewegung versetzen kann. Diese Variante eignet sich vorzugsweise für Anwendungen, bei denen die Amplitude der oszillierenden Bewegung der Schwingermasse 28 nicht verändert werden muss.
Anstelle Federn 32, 34, 40 können auch beliebige andere geeignete Einrichtungen als Energiespeichereinrichtung verwendet werden, so z. B. auch Einrichtungen, welche elektrische und/oder magnetische Felder verwenden.
Es bezeichnen:

2: Taumelscheibeneinrichtung
4: Gehäuse
6: Bodenelement von 4
8: Seitenwand von 4
10: Seitenwand von 4
12: Taumelscheibe
14: Nicht-drehbarer Teil von 12
16: Drehbarer Teil von 12
16a: Scheibenförmiger Abschnitt von 16
16b: Erster Armabschnitt von 16
16c: Zweiter Armabschnitt von 16
18: Betätigungselement bzw. Betätigungshebel
20: Welle/Antriebselement
22: Lager
24: Lager
26: Buchse
28: Schwingermasse
30: Steuerstange/Steuerelement
32: Erste Schraubenfeder
34: Zweite Schraubenfeder
36: Erstes Abstützelement
38: Zweites Abstützelement
40: Blattfeder/Führungseinrichtung
α: Kippwinkel der Taumelscheibe 12
A: Rotationsachse
D_R1: Radialer Abstand
D_R2: Radialer Abstand
G1: Gelenkiger Anschluss von 30 an 16
G2: Gelenkiger Anschluss von 30 an 28
G3: gelenkiger, drehbarer Anschluss von 30 an 28
K: Kippachse
N: Neutralposition von 28 bei α > 0
P_L: Linke Maximalauslenkungsposition von 28
P_R: Rechte Maximalauslenkungsposition von 28

Claims

Krafterzeugende Vibrationsgenerierungsvorrichtung zur aktiven Vibrationsreduzierung nach dem Gegenschwingungsprinzip, umfassend: – eine Taumelscheibeneinrichtung (2) mit einer Taumelscheibe (12), die über ein Betätigungselement (18) um wenigstens eine Kippachse (K) um einen Kippwinkel (α) verstellbar ist und über einen nicht-drehbaren (14) und einen drehbaren Teil (16) verfügt; – eine mit einer drehzahlkontrollierbaren Antriebseinrichtung verbundene Welle (20) zum Rotieren des drehbaren Teils (16) der Taumelscheibe (12) um mindestens eine Rotationsachse (A); – mindestens eine Schwingermasse (28), die entlang oder mit einer Führungseinrichtung (20; 40) bewegbar ist, wobei die Schwingermasse (28) im gekippten Zustand der Taumelscheibe (12) und bei einer Dreh- und Taumelbewegung der Taumelscheibe (12) über mindestens eine Steuerstange (30) entlang oder mit der Führungseinrichtung (20, 40) kontrolliert oszillierend bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Teil (16) der Taumelscheibe (12) drehfest auf der Welle (20) angeordnet ist und die Schwingermasse (28) in Bezug zur Antriebseinrichtung als ein separates Bauteil ausgebildet ist und dass die Steuerstange (30) über ein erstes Ende (G1) mit dem auf der Welle (20) angeordneten drehbaren Teil (16) der Taumelscheibe (12) und über ein zweites Ende (G2, G3) mit der in Bezug zur Antriebseinrichtung als separates Bauteil ausgebildeten Schwingermasse (28) gekoppelt ist.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Oszillationsbewegung der mindestens einen Schwingermasse (28) einstellbar ist durch den Kippwinkel (α) der Taumel scheibe (12), und durch den radialen Abstand (D_R1) des Anlenkpunktes der Steuerstange (30) von der Rotationsachse (A).
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem drehbaren Teil (16) der Taumelscheibe (12) und der Schwingermasse (28) eine Übersetzungseinrichtung angeordnet ist, welche die Größe der kontrollierten oszillierenden Bewegung der Schwingermasse (28) bestimmt.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (20) die Führungseinrichtung bildet.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Welle (20) bzw. die Führungseinrichtung durch die Schwingermasse hindurch erstreckt.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung als eine Blattfeder oder eine Schraubenfeder ausgebildet ist.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingermasse (28) mit einer Energiespeichereinrichtung (32, 34; 40) gekoppelt ist, welche einen Teil der kinetischen Energie der sich in einer Richtung bewegenden Schwingermasse (28) temporär speichert und bei einer Bewegung der Schwingermasse (28) in eine entgegengesetzte Richtung wieder an die Schwingermasse (28) abgibt.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung zwei gegeneinander wirkende Vor spannelemente (32, 34) umfasst, zwischen denen die Schwingermasse (28) angeordnet ist.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Vorspannelemente (32, 34) konzentrisch zur Welle (20) angeordnet sind.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Vorspannelement (32) mit einem ersten Ende an einem ersten, linken Abstützelement (36), welches axial fest mit der Welle (20) verbunden ist, und mit einem zweiten Ende an einer linken Seite der Schwingermasse (28) abstützt, und sich das zweite Vorspannelement (34) mit einem ersten Ende an einer rechten Seite der Schwingermasse (28) und mit einem zweiten Ende an einem zweiten, rechten Abstützelement (38), welches axial fest mit der Welle (20) verbunden ist, abstützt.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (18) mit einer kontrollierbaren Stelleinrichtung gekoppelt ist.
Vibrationsgenerierungsvorrichtung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kontrolleinrichtung besitzt, umfassend: – einen Eingang, der mit mindestens einem Sensor verbunden ist, mit dem mindestens eine Kenngröße einer störenden Vibration erfassbar ist, und der diese mindestens eine Kenngröße als Referenzsignal an den Eingang liefert; – eine mit dem Eingang verbundene Datenverarbeitungseinrichtung, welche das Referenzsignal verarbeitet und eine Gegenphase zur Phase der störenden Vibration sowie einen erforderlichen Taumelscheiben-Kippwinkel (α) ermittelt; – mindestens einen mit der Datenverarbeitungseinrichtung sowie der Antriebseinrichtung und der Stelleinrichtung gekoppelten Ausgang, an den die Datenverarbeitungseinrichtung zumindest ein die Gegenphase repräsentierendes erstes Kontrollsignal an die Antriebseinrichtung und ein den erforderlichen Taumelscheiben-Kippwinkel (α) und damit eine vorbestimmte Amplitude der Schwingermasse (28) repräsentierendes zweites Kontrollsignal an die Stelleinrichtung liefert; so dass die Antriebseinrichtung den drehenden Teil (16) der Taumelscheibe (12) gegenphasig zu der störenden Vibration rotiert und die Stelleinrichtung die Taumelscheibe (12) auf den ermittelten erforderlichen Taumelscheiben-Kippwinkel (α) kippt, so dass die Taumelscheibe (12, 16) über die Steuerstange (30) die Schwingermasse (28) gegenphasig zur störenden Vibration mit der vorbestimmten Amplitude oszillierend bewegt.