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Die
Erfindung betrifft einen Kraftgenerator und ein Verfahren zum Betreiben
des Kraftgenerators. Der Kraftgenerator dient insbesondere zur Schwingungsbeeinflussung
von Strukturen, wobei gezielt Gegenschwingungen in eine Struktur
eingeleitet werden, um den Gesamtpegel der Schwingungen in der Struktur
zu reduzieren. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur
Schwingungsbeeinflussung. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung
bei der Schwingungskontrolle in Hubschraubern und Flugzeugen.
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Kraftgeneratoren
dienen dazu, mittels einer vorbestimmten Inertialmasse eine gewünschte Kraft zu
erzeugen. Die Kraft resultiert dabei stets aus der Trägheit der
wie auch immer bewegten Inertialmasse. Um eine möglichst hohe Kraft zu erzeugen,
kann zum einen die Inertialmasse mit einer möglichst hohen Beschleunigung
(bzw. hohen Auslenkung) bewegt werden. Alternativ dazu oder zusätzlich lässt sich
eine solche hohe Kraft auch durch eine möglichst hohe Inertialmasse
generieren.
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Bisher
sind Kraftgeneratoren bekannt, die auf dem elektrodynamischen Prinzip
basieren, bei dem die Wechselwirkung zwischen bewegten elektrischen
Ladungen genutzt wird. In einem Magnetfeld ist dazu ein zu einer
Spule aufgewickelter elektrischer Leiter eingetaucht, der mit einem
Strompuls versehen wird. Die Ladungen im Leiter erfahren daraufhin
einen Kraftstoß,
wodurch die Spule in Bewegung versetzt wird. Dabei besteht ein Nachteil
darin, dass die Spule eine hohe Masse besitzt und nur relativ geringe
Beschleunigungen und damit geringe Kräfte generieren kann. Das Verhältnis aus
eingesetzter Masse zu erzeugter Kraft ist relativ hoch. Ferner besteht
eine ungünstige
Energiebilanz bei elektrodynamischen Prinzipien aufgrund des ohmschen Widerstands
der Spule.
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Derartige
Kraftgeneratoren werden beispielsweise zum gezielten Einleiten von
Kräften
in schwingende Strukturen (z. B. Luftfahrzeuge, Kraftfahrzeuge oder
Maschinenkomponenten) verwendet, um hohen Schwingungspegeln entgegenzuwirken und
diese auszulöschen.
Dabei treten insbesondere dann Probleme auf, wenn die Frequenz der
zu regelnden Struktur mehr oder weniger stark variiert, wie es beispielsweise
bei unterschiedlichen Betriebszuständen der schwingenden Struktur
der Fall ist. Derartige unterschiedliche Betriebszustände treten
zum Beispiel bei Luftfahrzeugen in den unterschiedlichen Flugphasen
auf, insbesondere beim Start sowie bei der Landung. Mit den bekannten
Anordnungen können
Schwingung meist nur in einem sehr engen Frequenzbereich reduziert
werden, was in vielen Anwendungsfällen von Nachteil ist.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftgenerator zu schaffen,
der bei einer vorgegebenen Inertialmasse hohe Beschleunigungen und
damit Kräfte
generiert und gleichzeitig ein günstiges
Verhältnis
aus Inertialmasse und damit erzeugter Kraft aufweist. Der erfindungsgemäße Kraftgenerator
soll zudem eine hohe Güte
aufweisen, d.h. eine geringe Eigendämpfung und einen geringen Energieverbrauch
haben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Kraftgenerator
zu schaffen, der universell und variabel einsetzbar ist; d.h., mit
dem insbesondere Schwingungen über
einen möglichst
weiten Frequenzbereich wirksam vermindert werden können. Es
besteht ferner eine Aufgabe darin, ein Verfahren anzugeben, mit
dem ein solcher Kraftgenerator betrieben werden kann.
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Diese
Aufgaben werden durch einen Kraftgenerator mit den Merkmalen der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Kraftgenerator
ist zur Anbringung an einer Struktur ausgebildet, um steuerbar Schwingungskräfte zur
Schwingungsbeeinflussung der Struktur in diese einzuleiten, und
umfasst einen Biegearm, der mindestens an dessen einem Ende an der
Struktur befestigbar ist, sowie eine Inertialmasse, die vom Befestigungsende
des Biegearmes entfernt mit dem Biegearm gekoppelt ist. Der Biegearm
ist mit einem elektromechanischen Wandler versehen, und eine Ansteuerung
für den
elektromechanischen Wandler ist vorgesehen, welche eingerichtet
ist, durch Ansteuern des elektromechanischen Wandlers den Biegearm
mit der Inertialmasse und dem Wandler derart zu verbiegen und dadurch die
Inertialmasse auszulenken, dass Schwingungskräfte mit variabler Amplitude,
Phase und Frequenz in die Struktur erzeugbar sind, die über das
Befestigungsende in die Struktur einleitbar sind.
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Besonders
vorteilhaft ist dabei, dass die Ansteuerung eingerichtet, die Inertialmasse,
den Biegearm und den elektromechanischen Wandler in eine Schwingung
mit verstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz zu versetzen. Auf
diese Wiese können
gezielt unterschiedliche Schwingungskräfte, insbesondere über einen
weiten Frequenzbereich, generiert und in eine zu beeinflussende
Struktur eingeleitet werden. Dabei ist es möglich, die Inertialmasse und den
Biegearm einschließlich
Wandler entweder weniger stark anzuregen, so dass eine niedrigere
Schwingungsamplitude und damit niedrigere Beschleunigung und niedrigere
Kraft erreicht wird, oder aber auch stark zu erregen, so dass eine
hohe Schwingungsamplitude und damit große Beschleunigung und große Kraft
erreicht wird. Neben der Anpassung der Schwingungsamplitude ist
ebenso die Phase als auch die Frequenz variabel einstellbar.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der elektromechanischen Wandler
auch derart angesteuert werden kann, dass ein Einleiten von Schwingungskräften bei
zwei oder mehreren Frequenzen gleichzeitig möglich ist. Dabei erfolgt die
Ansteuerung bei mehreren Frequenzen oder über einen vorgegebenen Frequenzbereich.
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Wird
der Kraftgenerator in Eigenfrequenz (bzw. in der Nähe seiner
Eigenfrequenz/en) betrieben, kann dadurch vorteilhafterweise die
dynamische Überhöhung der
Auslenkung der Inertialmasse zur Generierung besonders hoher Kräfte ausgenutzt werden.
Durch die Anregung im Bereich der Eigenfrequenz kann bei vorbestimmter
Inertialmasse eine hohe Schwingungsamplitude der Inertialmasse erreicht
werden. Damit geht eine hohe Beschleunigung einher, so dass relativ
hohe Kräfte
von der Inertialmasse generiert werden können.
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Zweckmäßigerweise
beträgt
die Inertialmasse ein Vielfaches der Masse des Biegearmes einschließlich Wandler,
so dass der Kraftgenerator eine relativ geringe Gesamtmasse besitzt
und eine hohe Effizienz erreicht.
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Vorzugsweise
ist der Wandler ein piezoelektrischer Aktuator. Ein solcher Aktuator
besitzt ein sehr schnelles Ansprechverhalten und ist sowohl hinsichtlich
seiner Stellwegamplituden als auch seiner Frequenzen präzise regelbar.
Damit lassen sich für
den Kraftgenerator genau vorbestimmte Erregerfrequenzen einstellen.
Ein piezoelektrischer Aktuator arbeitet auch bei hohen Gegenkräften mit
hohen Stellwegen und hoher Auflösung,
so dass auch bei großer
Inertialmasse zuverlässig
Schwingungskräfte
erzeugt werden können.
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Besonders
bevorzugt ist der piezoelektrische Aktuator ein stapelförmiges Piezoelement
(d.h. ein sogenannter „Piezostack") mit d33-Effekt.
Bei dem d33-Effekt,
der bekanntlich auch als Longitudinaleffekt bezeichnet wird, erfolgt
die Längenänderung
des piezoelektrischen Elements in Richtung des angelegten elektrischen
Feldes, d.h. entlang der Stapel- bzw. Längsrichtung des Piezoelements.
Die dabei hervorgerufene Längenänderung
ist bekanntlich größer als die
Längenänderung
beim d31-Effekt, bei dem die Längenänderung
quer zur Richtung des angelegten elektrischen Feldes erfolgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der Wandler so ansteuerbar, dass er eine Längenänderung in Längsrichtung
des Biegearmes durchführt.
Dies führt
zu einer Verbiegung des Biegearms, wodurch wiederum die Inertialmasse
ausgelenkt wird, so dass Schwingungen des Biegearms mit der Inertialmasse
und dem Wandler angestoßen
werden, um entsprechende Schwingungskräfte zu generieren. Ist der
Wandler parallel zu einer Neutrallage angeordnet, welche bei einem
symmetrisch aufgebauten Biegearm entlang der Mittellinie des Biegearms verläuft, lässt sich
damit eine parallel zur Neutrallage vorgesehene Lage im Vergleich
zur Neutrallage in ihrer Länge
verändern.
Die Lage mit der größeren Länge induziert
eine Durchbiegung in Richtung zur Lage mit der kürzeren Länge. Wird die Längenänderung
in periodischen Abständen
wiederholt, entsteht eine Biegeschwingung des Biegearmes einschließlich Wandler
und Inertialmasse. Bei einer Anregung im Eigenfrequenzbereich schwingt
das System zu großen
Amplituden auf.
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Besonders
bevorzugt ist jeweils mindestens ein Wandler auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Neutrallage angeordnet, so dass eine Durchbiegung zu
beiden einander gegenüberliegenden Seiten
der Neutrallage hin erzeugt wird, wodurch vorteilhafterweise die
Auslenkung der Inertialmasse vergrößert werden kann.
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Vorzugsweise
ist der Wandler mit der Neutrallage kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden.
Damit ist zum einen sichergestellt, dass der Wandler ortsfest positioniert
ist und eine genau wiederholbare Verbiegung des Biegearmes bewirken kann.
Zum anderen wird durch die Positionierung des Wandlers in der Nähe der Neutrallage
erreicht, dass bei sehr hohen Schwingungsamplituden der Wandler relativ
wenig durchgebogen wird. Dies ist eine Maßnahme zum Schutz des Wandlers
vor mechanischer Deformation durch Biegung. Der Schutz kann erhöht werden,
wenn der mindestens eine Wandler innerhalb des Biegearmes angeordnet
bzw. in diesen eingebettet ist. Eine Verletzung eines mechanisch empfindlichen
Wandlers von außerhalb
ist damit nur erschwert möglich.
Zusätzlich
kann durch die Anordnung des Wandlers innerhalb des Biegearmes eine Kapselung
des Wandlers erreicht werden, so dass der Kraftgenerator auch z.B.
in nasser oder chemisch aggressiver Umgebung verwendbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist zwischen einem Ende des Wandlers und der Inertialmasse
ein Distanzelement angeordnet. Durch das Distanzelement kann der
Wandler noch sicherer in seiner Lage positioniert werden. Vorzugsweise
weist das Distanzelement eine geringe Dichte auf, um das Verhältnis aus
Inertialmasse zur Masse des Biegearmes einschließlich Wandler zu erhöhen. Insbesondere
kann durch geeignete Wahl des Materials für das Distanzelement die Eigenfrequenz
der Baugruppe aus Biegearm, Wandler und Inertialmasse gezielt beeinflusst
werden.
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Zusätzlich kann
eine schützende
Außenlage des
Biegearmes, welche zur Neutrallage seitlich beabstandet angeordnet
ist, mit dem Wandler kraftschlüssig
und/oder formschlüssig
verbunden sein. Durch den Einsatz einer Außenlage wird eine Schichtbauweise
des Biegearmes und damit ein einfacher Schutz vor äußeren Einflüssen auf
den Wandler erreicht. Die kraftschlüssige Verbindung, wie zum Beispiel
durch Verkleben, und die formschlüssige Verbindung, wie zum Beispiel
durch Verschrauben, stellen eine genaue Positionierung der Teile
zueinander sicher.
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Besonders
bevorzugt ist der Biegearm in Faserverbundbauweise mit integriertem
Wandler ausgebildet. Der Biegearm wird dabei in Schichtbauweise
unter Verwendung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK),
hergestellt, wobei der Schichtaufbau in einem letzten Arbeitschritt
beispielsweise mittels bekanntem RTM- („Resin Transfer Moulding") Verfahren mit einem
Harzsystem infiltriert bzw. injiziert und anschließend ausgehärtet wird.
Durch eine derartige Faserverbundbauweise wird eine besonders hohe Lebensdauer
des Kraftgenerators erzielt.
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Vorzugsweise
steht der Wandler unter einer Druckvorspannung. Damit wird erreicht,
dass auf den Wandler auch bei einer hohen Schwingungsamplitude (z.B.
bei Resonanzüberhöhung) des
Biegearmes stets Druckkräfte
und keine für
den Wandler gefährlichen
Zugkräfte
einwirken. Dies ist besonders bei einem Wandler von Bedeutung, der
piezokeramische Schichten aufweist. Der unter Druckvorspannung stehende
Wandler kann hohe Schwingungsamplituden besser überstehen. Die Druckvorspannung
kann mechanisch aufgeprägt
sein. Der Wandler kann aber auch thermisch vorgespannt werden. Dies
lässt sich zum
Beispiel dadurch erreichen, dass er in eine Matrix eingesetzt ist,
die einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt als der Wandler. Beim Warmaushärten der Matrix kann dann auf
den Wandler eine Druckvorspannung erzielt werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, an den Wandler eine elektrische Offset-Spannung anzulegen.
Damit ist der Wandler immer einer Kompression ausgesetzt und auch
bei hohen Schwingungsamplituden vor einer Zugbelastung geschützt.
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Der
erfindungsgemäße Kraftgenerator
weist typischerweise eine Länge
von 3 bis 60 Zentimetern auf. Die Inertialmasse ist dann bei geeigneter
Dimensionierung aller Bauteile beispielsweise in eine Schwingung
versetzbar, die eine maximale Schwingungsamplitude im Bereich von
0,1 bis 3 Zentimetern aufweist.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben des wie vorstehend
beschriebenen Kraftgenerators gelöst, wobei durch geeignete Ansteuerung
des elektromechanischen Wandlers der Biegearm mit der Inertialmasse
und dem Wandler derart verbogen wird und dadurch die Inertialmasse ausgelenkt
wird, dass Schwingungskräfte
mit variabler Amplitude, Phase und Frequenz erzeugt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zur Schwingungsbeeinflussung
gelöst,
die zur Anbringung an zumindest einer Struktur ausgebildet ist,
um steuerbar Schwingungskräfte
in die Struktur einzuleiten, wobei zwei Kraftgeneratoren der oben
beschriebenen Art derart angeordnet sind, dass der Biegearm des
ersten Kraftgenerators in Verlängerung
des Biegearms des zweiten Kraftgenerators angeordnet ist.
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Somit
kann der erfindungsgemäße Kraftgenerator
auch in einer symmetrischen Bauweise eingesetzt werden, wobei zwei
individuelle Kraftgeneratoren n beschriebenen Art derart verwendet
werden, dass die jeweils nicht mit der Inertialmasse gekoppelten
Enden der Biegearme an einer schwingungsmäßig zu beeinflussenden Struktur
befestigt sind oder derart miteinander verbunden sind, das sie einen
Biegearm mit beidseitig, d.h. an beiden Enden eines Biegearms, angeordneten
Inertialmassen bilden. Dabei sollten die Inertialmassen einen gleichen
Anstand zur Struktur aufweisen, d.h. die Hebelarme der Biegearme
sind vorzugsweise identisch. Die Anordnung kann so angesteuert werden,
dass die Inertialmassen parallel, d.h. in gleiche Richtung, oder
anti-parallel, d.h. in entgegengesetzte Richtungen, ausgelenkt werden.
In letzterem Fall können
nicht nur Kräfte
sondern auch Momente in die Struktur eingeleitet werden.
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Eine
weitere symmetrische Verwendung des erfindungsgemäßen Kraftgenerators
ist die nachfolgend auch als „Durchschwinger" bezeichnete Anordnung,
bei der Biegearm eines ersten Kraftgenerators quasi über die
Inertialmasse hinaus verlängert
ist, und das freie Ende des verlängerten
Biegearms ebenfalls mit der Struktur, aber an andere Stelle, befestigt
ist. Mit anderen Worten, es ist eine Biegearm vorgesehen, dessen
gegenüberliegende
Enden an einer Struktur befestigbar sind, wobei vorzugsweise in
der Mitte des Biegearms zumindest eine Inertialmasse vorgesehen
ist. Bei einer derartigen Anordnung erfolgt das Einleiten von Kräften momentenfrei.
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Der
erfindungsgemäße Kraftgenerator
sowie seine symmetrische Verwendung werden insbesondere zu aktiven
Schwingungsregelung von Strukturen (Luftfahrzeugen, Kraftfahrzeugen,
Maschinenkomponenten etc.) eingesetzt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung verschiedener, erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang
mit den begleitenden Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftgenerators
in einer Ruheposition;
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2 eine
schematische Darstellung der ersten Ausführungsform des Kraftgenerators
aus 1 in einer durchgebogenen Position;
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3 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftgenerators
in einer Ruheposition;
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4 eine
schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform des Kraftgenerators
aus 3 in einer durchgebogenen Position;
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5 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftgenerators
in einer Ruheposition;
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6 eine
schematische Darstellung der dritten Ausführungsform des Kraftgenerators
aus 5 in einer durchgebogenen Position;
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7 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftgenerators
in einer Ruheposition; und
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8 eine
schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
die zwei symmetrisch angeordnete Kraftgeneratoren umfasst; und
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9 eine
zu 8 alternative symmetrische Anordnung von zwei
Kraftgeneratoren.
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In 1 ist
in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftgenerators 1 dargestellt.
Er weist einen Biegearm 2 auf, der an einem Ende 10 an
einer Struktur 3 befestigt ist und am anderen Ende eine
Inertialmasse 4 aufweist. Die Struktur 3 ist beispielsweise
ein Luftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug, eine Maschinenkomponente oder
ein beliebig anderes Bauteil, wobei die Struktur 3 in unerwünschter
Weise schwingt. Zur Reduzierung dieser Schwingungen ist der Kraftgenerator 1 mit
der Struktur 3 verbunden, so dass gezielt Gegenschwingungen
in die Struktur 3 eingeleitet werden können, um den Gesamtpegel der
Schwingungen in der Struktur 3 zu reduzieren, wie nachfolgend
in näheren
Einzelheiten erläutert
wird.
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Auf
dem Biegearm 2 ist ein elektromechanischer Wandler 5 montiert,
insbesondere ein piezoelektrischer Aktuator, der mit einer Ansteuerung 6 elektrisch
verbunden ist. Die Position der Ansteuerung 6 ist vom Biegearm 2 und
vom Wandler 5 in einem solchen Abstand angeordnet, dass
sie eine Bewegung des Biegearms 2 einschließlich Wandler 5 und
Inertialmasse 4 nicht behindert. Der Biegearm 2 befindet
sich zusammen mit der Inertialmasse 4 und dem elektromechanischen
Wandler 5 bei der in 1 dargestellten
Position in einer Ruheposition, wobei die Mittellinie 7 des
Biegearms 2 horizontal verläuft.
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Der
elektromechanische Wandler 5 wird derart angesteuert, dass
er eine positive Längenänderung Δl in Längsrichtung
des Biegearms 2 erfährt. Dabei
ist der Wandler 5 mit der oberen Randfaser 8 des
Biegearms 2 so verbunden, dass die Längenänderung Δl des Wandlers 5 in
die obere Randfaser 8 übertragen
wird, so dass sich deren Länge
l um Δl verlängert. Da
auf die untere Randfaser 9 keine Längenänderung ausgeübt wird,
ergibt sich damit zwischen oberer Randfaser 8 und unterer
Randfaser 9 eine Längendifferenz
von Δl.
Wie aus 2 ersichtlich ist, führt diese
Längendifferenz Δl zu einer
Verbiegung des Biegearmes 2 in die negative y-Richtung.
Die starr mit dem Biegearm 2 verbundene Inertialmasse 4 wird
dabei von ihrer mit gestrichelter Linie dargestellten Ruheposition
in eine mit durchgezogener Linie dargestellte durchgebogene Position
um den Betrag Δy
verlagert. Als Folge der Längenzunahme
um Δl der
oberen Randfaser 8 ändert
somit die Mittellinie 7 des Biegearmes 2 ihren
horizontalen Verlauf in die mit strichpunktierter Linie 12 dargestellte durchgebogene
Position. Durch eine zumindest kraftschlüssige Verbindung von Wandler 5 und
Biegearm 2 folgt dabei der Wandler 5 der Krümmung der
oberen Randfaser 8.
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Durch
entsprechende Ansteuerung des Wandlers 5 kann folglich
der Biegearm 2 einschließlich des Wandlers 5 und
der Inertialmasse 4 zu einer Schwingung angeregt werden,
bei der die Inertialmasse 4 und der Biegearm 2 mit
dem Wandler 5 um die in der Horizontalen verlaufende Mittellinie 7 auf und
ab schwingen, wie dies mit Pfeil 11 in 1 angedeutet
ist. Dabei sind die Amplitude, Phase und Frequenz der Schwingung
durch geeignete Ansteuerung (z.B. U(ω) oder U (Δω)) des Wandlers 5 einstellbar,
so dass über
die Befestigungsstelle 10 in die Struktur 3 gezielt
Schwingungskräften
einseitbar sind, um durch Überlagerung
von eingeleiteten und Struktur-Schwingungen eine Redzierung, im
Idealfall Auslöschung,
der Schwingungen über
einen weiten Frequenzbereich und/oder bei mehreren Frequenzen gleichzeitig
zu bewirken. Zur Regelung der Ansteuerung ist zumindest ein Sensor
(nicht dargestellt) vorgesehen, der die Schwingungen der Struktur 3 erfasst,
um basierend auf den erfassten Sensorsignalen die Ansteuerung 6 zu
regeln.
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Erfolgt
die Ansteuerung des Wandlers 5 bzw. die Längenänderung Δl mit einer
Frequenz, welche im Bereich der Eigenfrequenz des Systems aus Biegearm 2,
Inertialmasse 4 und Wandler 5 liegt, kann die
Inertialmasse 4 um einen Betrag in y-Richtung ausgelenkt
werden, der durch Resonanzüberhöhung um
ein Mehrfaches höher
ist als der Betrag Δy.
Durch die höhere
Schwingungsamplitude erfährt
die Inertialmasse 4 eine größere Beschleunigung, so dass wesentliche
größere Kräfte bzw.
höhere
Schwingungsamplituden erzeugt werden.
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Bei
der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
ist der elektromechanische Wandler 5 vorzugsweise ein stapelförmiges Piezoelement mit
d33-Effekt. Die Stapelrichtung erstreckt sich dabei im Wesentlichen
in Längsrichtung
des Biegearms 2, d.h. in horizontaler Richtung, um die
oben beschriebene Längenänderung Δl in Längsrichtung
des Biegearms 2 hervorzurufen. Der Wandler 5 ist
kraftschlüssig
mit dem Biegearm 2 verbunden, z.B. durch Kleben. Alternativ
kann in dem Biegearm 2 eine Aussparung (nicht dargestellt)
vorgesehen sein, in die der Wandler 5 derart eingepasst
ist, dass ein horizontales Verschieben oder Verrutschen des Wandlers 5 nicht
möglich
ist. Zum Schutz des Wandlers 5 kann die Anordnung aus Biegearm 2 und
Wandler 5 zusätzlich
mit einer Schutzschicht (nicht dargestellt) versehen oder in eine
Faserverbundwerkstoff-Anordnung
eingebettet sein, wobei letzteres im Zusammenhang mit der Beschreibung
von 7 noch näher
erläutert
wird.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
des Kraftgenerators gemäß der Erfindung
dargestellt. Der Biegearm 2 ist in Schichtbauweise aufgebaut.
Er weist eine Neutrallage 19 auf, die entlang der Mittellinie 7 des
Biegearmes 2 verläuft.
Parallel dazu weist der Biegearm 2 eine obere Außenlage 14 und
eine untere Außenlage 18 auf.
Zwischen der oberen Außenlage 14 und
der Neutrallage 19 sind ein erster Aktuator als elektromechanischer
Wandler 5 und ein zusätzliches
Element 13 angeordnet, das nachfolgend auch als Distanzelement
bezeichnet wird, welches den Abstand zwischen Aktuator 5 und
Inertialmasse 4 sowie den Abstand zwischen Neutrallage 19 und oberer
Außenlage 14 auffüllt. In
gleicher Weise befindet sich zwischen der Neutrallage 19 und
der unteren Außenlage 18 ein
zweiter Aktuator 15 und ein dran angrenzendes Distanzelement 17.
Der erste Aktuator 5 ist mit einer Ansteuerung 6 und
der zweite Aktuator 15 mit einer Ansteuerung 16 gekoppelt,
die jeweils in Abhängigkeit
von Sensorsignalen, die von entsprechenden Sensoren (nicht dargestellt)
zur Erfassung der Schwingung der Struktur (3) aufgenommen
werden, geregelt werden. Die Ansteuersignale für die Ansteuerungen 6, 16 können dabei
identisch oder verschieden (z.B. U(ω1)
und U(ω2)) sein, wobei jeder einzelnen Wandler 5, 15 auch
bei mehreren Frequenzen gleichzeitig angeregt werde kann.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Wandler 5, 15 wiederum
als piezoelektrische Aktuatoren, insbesondere als stapelförmige Piezoelemente
mit d33-Effekt, ausgebildet. Die Stapel- bzw. Längsrichtung des Piezoelements
verläuft in
horizontaler Richtung, so dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes
in Stapelrichtung des Piezoelements 5 ein Längenänderung
in Längsrichtung
des Biegearms 2 erfolgt. Die in 3 dargestellte
Ruheposition des Kraftgenerators 1 kann durch eine Ansteuerung
des ersten piezoelektrischen Aktuators 5 in eine durchgebogene
Position verlagert werden. Erfährt
der erste Aktuator 5 eine Längenänderung Δl1, siehe vorderes Ende 20 des
ersten Aktuators 5, wird diese Längenänderung Δl1 aufgrund der Kopplung mit
dem Distanzelement 13 und der oberen Außenlage 14 bis zur
Inertialmasse 4 übertragen.
Gleichzeitig erfährt
der parallel dazu angeordnete zweite Aktuator 15 keine
Längenänderung,
siehe vorderes Ende 21 des zweiten Aktuators 15,
so dass die untere Außenlage 18 in
ihrer Länge
nicht verändert
wird. Wie bei der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform wird
der Biegearm auf diese Wiese in negative y-Richtung verbogen, siehe 4.
Ansonsten ist die Wirkungsweise und Funktion des Kraftgenerators 1 analog
zur der der ersten Ausführungsform.
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Eine
noch effizientere Schwingung der Inertialmasse 4 wird mit
dem Inertialkraftgenerator 1 erreicht, der in 5 und 6 dargestellt
ist. Diese dritte Ausführungsform
ist weitgehend mit der zweiten Ausführungsform identisch. Ein Unterschied
besteht darin, dass bereits in der Ruheposition des Biegearmes 2 beide
Wandler 5, 15 so angesteuert sind, dass sie um
eine Längenänderung Δl2 ausgelenkt sind,
d.h. an den Wandlern 5, 15 liegt eine Vorspannung
an. Anschließend
wird der erste Aktuator 5 um eine zusätzliche Längenänderung Δl2 verlängert, während der zweite Aktuator 15 um
diese Längenänderung Δl2 verkürzt wird,
siehe 6. Der erste Aktuator führt damit eine Längenänderung
um Δl2 + Δl2 aus, während der
zweite Aktuator keine Längenänderung
mehr aufweist. Bei dieser Konstruktion wird der Umstand berücksichtigt,
dass ein piezokeramischer Werkstoff ausgehend von seiner Basislänge, bei
der kein elektrisches Feld anliegt, nur verlängert werden kann.
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In 7 ist
eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Der Biegearm 2 ist in Faserverbundbauweise
ausgebildet. Die Neutrallage 19 und die Außenlagen 14, 18 bestehen aus
Faserverbundmaterial, insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff
(GFK). Die zu beiden Seiten der Wandler 5, 15 angeordneten
Distanzelemente 13, 22 bzw. 17, 23 können aus
Faserverbundwerkstoffen, anderen Leichtbaumaterialien (z.B. Schaumwerkstoff)
oder Metall bestehen. Bei der Herstellung des Biegearms 2 werden
zunächst
die Wandler 5, 15 beidseitig auf der Neutrallage 19 angebracht,
ggf. durch fixieren mittels Kleben. Anschließend werden die Bereiche seitlich
der Wandler 5, 15 mit entsprechenden Distanzelementen 13, 22 bzw. 18, 23,
die auch aus mehreren Faserverbundwerkstoff-Lagen bestehen können, aufgefüllt. Zum
Schutz der piezoelektrischen Aktuatoren 5, 15 werden
die Außenlagen 14, 18 angeordnet
und abschließend
wird die schichtförmige
Faserverbundwerkstoff-Anordnung auf bekannte Art und Weise mit einem
Harzsystem injiziert und ggf. unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet, typischerweise
mittels bekanntem Harzinjektionsverfahren, wie beispielsweise dem
RTM-Verfahren. Durch die Außenlagen 14 und 18 werden
die empfindlichen piezokeramischen Werkstoffe der Aktuatoren 5, 15 vor
Feuchtigkeit und dem Eindringen von Fremdkörpern geschützt. Durch entsprechende Wahl
der Materialien der Distanzelemente 13, 17, 22 und 23 kann die
Eigenfrequenz des Biegearmes 2 mit Wandler 5, 15 und
Inertialmasse 4 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Zudem kann durch geeignete Wahl der Materialien eine besonders leichte
Anordnung, bei der die Masse des Biegearms 2 mit Wandler 5, 15 viel
kleiner als die Inertialmasse 4 ist, geschaffen werden.
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Der
voran stehend beschriebene Kraftgenerator kann auch in einer symmetrischen
Anordnung verwendet werden, um eine Vorrichtung zur Schwingungsbeeinflussung
zu schaffen. In 8 ist eine erste Ausführungsform
mit zwei Kraftgeneratoren schematisch dargestellt, wobei die Biegearme
der beiden Kraftgeneratoren in Verlängerung zueinander angeordnet
sind. Wie in 8 zu sehen ist, sind die Biegearme 2', 2'' der jeweiligen Kraftgeneratoren 1 derart
an der schwingungsmäßig zu beeinflussenden Struktur 3 angeordnet,
dass die Inertialmassen 4', 4'' in gleichem Abstand von der Befestigungsstelle 10' bzw. 10'' entfernt sind. Die Biegearme 2', 2'' sind vorzugsweise einstückig ausgebildet,
so dass die Vorrichtung zur Schwingungsbeeinflussung im Wesentlichen
aus einem Biegearm besteht, an dessen äußeren Enden jeweils die Inertialmassen 4' und 4'' angeordnet sind. Der einstückige Biegearm
ist dann vorzugsweise in der Mitte an der Struktur 3 angeordnet. Die
in 8 dargestellte Anordnung kann durch entsprechende
an den Biegearmen 2', 2'' angeordnete Wandler, die in 8 nicht
dargestellt sind, jedoch im Zusammenhang mit den voran stehenden
Figuren detailliert beschrieben wurden, derart angesteuert werden,
dass die Inertialmassen 4', 4'' entweder parallel, d.h. in gleicher
Richtung (z.B. in positiv y-Richtung),
oder anti-parallel, d.h. in entgegengesetzte Richtung, ausgelenkt
werden. Bei einer parallelen Auslenkung der Inertialmassen 4', 4'' können Kräfte sowie Momente in die Struktur 3 eingeleitet
werden. Bei einer anti-parallelen Auslenkung erfolgt die Krafteinleitung
in die Struktur 3 momentenfrei.
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In 9 ist
eine weitere symmetrische Anordnung von erfindungsgemäßen Kraftgeneratoren dargestellt,
die eine so genannte „Durchschwinger"-Anordnung zeigt.
Betrachtet man den linken Bereich der 9, so stellt
dies einen wie im Zusammenhang mit den 1 bis 7 beschriebenen Kraftgenerator
dar, wobei jedoch der Biegearm 2' quasi über die Inertialmasse 4,
d.h. in 9 nach rechts, verlängert ist,
wobei das verlängerte
Ende an einer weiteren Struktur 3'' bzw.
an einer anderen Stelle 3'' der Struktur
befestigt ist. Mit anderen Worten, die Anordnung gemäß 9 umfasst
im Wesentlichen einen Biegearm, dessen äußere Enden, d.h. das linke
sowie das rechte Ende in 9, an unterschiedlichen Stellen 3' und 3'' befestigt sind. Die Inertialmasse 4 ist
dabei in der Mitte des Biegearmes angeordnet und wird analog zu
der voranstehenden Beschreibung in eine Richtung senkrecht zur Ebene des
Biegearmes, d.h. in positiver und negativer y-Richtung, ausgelenkt.
Die Einleitung von Schwingungskräften
an den Stellen 3' und 3'' erfolgt dabei momentenfrei.