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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungstilger nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Verwendung eines derartigen Schwingungstilgers
sowie ein Schwingungsdämpfungssystem
umfassend mehrere Schwingungstilger.
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Ein
Schwingungstilger ist beispielsweise aus der Deutschen Patentoffenlegungsschrift
2 036 979 bekannt und kann z. B. vorteilhaft zur Lärmreduzierung
in Flugzeugen verwendet werden. Der bekannte Tilger umfasst eine
schwingungsfest mit einem dynamisch erregten Bauteil verbindbare
Tilgerbasis in Form eines Lagerbocks und eine daran befestigte, beiderseits
von der Tilgerbasis abstehende Blattfeder, an deren Enden jeweils
eine Trägheitsmasse
angeordnet ist. Damit sind zwei in Richtung der Bauteilerregung
schwingungsfähige
Feder-Masse-System gebildet, die bei geeigneter Abstimmung der Resonanzfrequenz
auf die Erregungsfrequenz die Bauteilerregung dämpfen. Zum Verstellen der Resonanzfrequenz
ist ein beispielsweise pneumatisches Stellglied in einer zentralen
Aussparung der Blattfeder untergebracht, mittels welchem die Trägheitsmassen über ein
durch die Blattfeder hindurch geführtes Gestänge verlagert werden können.
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Nachteilig
ist hierbei der vergleichsweise große konstruktive Aufwand zur
Realisierung der Verstellbarkeit der Resonanzfrequenz.
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Ein
Schwingungstilger mit veränderlicher Resonanzfrequenz
ist ferner aus der Deutschen Patentschrift
DE 196 41 763 C2 bekannt.
Dieser Tilger umfasst ebenfalls eine Tilgerbasis mit einer beiderseits
davon abstehenden Blattfeder, an deren Enden jeweils eine Trägheitsmasse
angeordnet ist. Zur Verstellung der Resonanzfrequenz ist im Bereich
einer Einspannstelle zwischen einem Tilgerbasisgehäuse und
der Blattfeder eine Abstützung
mit veränderlich einstellbarer
Blattfeder-Einspanngeometrie
angeordnet.
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Nachteilig
ist hierbei wieder ein vergleichsweise hoher konstruktiver Aufwand.
Darüber
hinaus benötigen
die Abstützungskomponenten
einen relativ großen
Bauraum orthogonal zur Blattfederebene.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in konstruktiv einfacher
Weise eine Schwingungstilgung mit veränderbarer Resonanzfrequenz bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Schwingungstilger nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der
erfindungsgemäße Schwingungstilger ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitsmasse ein Gehäuse mit
einem darin zur Verstellung der Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers
hin und her bewegbaren Kolben aufweist.
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Bei
der Erfindung kann vorteilhaft das Massezentrum der Trägheitsmasse
verlagert werden. Eine Verlagerung der Trägheitsmasse als solche (wie in
der
DE 2 036 979 vorgesehen)
und/oder eine Veränderung
einer Blattfeder-Abstützungsgeometrie (wie
in der
DE 196 41 763
C2 vorgesehen) ist somit nicht erforderlich.
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Die
Erfindung gestattet eine große
konstruktive Freiheit insbesondere im Bereich der Tilgerbasis, der
Verbindung zwischen Tilgerbasis und Blattfeder, und der Blattfeder
selbst. Der zur Verstellung der Resonanzfrequenz hin und her bewegbare
Kolben kann in einem mehr oder weniger geschlossenen Gehäuse gut
geschützt
untergebracht werden. Dasselbe gilt für gegebenenfalls im Gehäuseinneren
untergebrachte Komponenten zum Antrieb der Kolbenverstellbewegung.
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Um
auch bei relativ kleinen Kolbenverstellwegen eine effektive Verstellung
der Resonanzfrequenz zu erreichen, ist in einer bevorzugen Ausführungsform
vorgesehen, dass die Masse des Kolbens einen Anteil von wenigstens
30%, bevorzugt wenigstens 40%, an der Gesamtmasse der Trägheitsmasse besitzt.
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Bevorzugt
ist der Schwingungtilger derart ausgebildet, dass durch die Kolbenverstellung
eine relative Änderung
der Resonanzfrequenz des betreffenden Feder-Masse-Systems von mindestens 10%, weiter
bevorzugt wenigstens 20%, erzielbar ist. Der Begriff "relative Änderung" soll hierbei das
Verhältnis zwischen
der Differenz von Maximalfrequenz und Minimalfrequenz und dem arithmetischen
Mittelwert dieser Frequenzen bezeichnen.
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Ebenfalls
günstig
für eine
möglichst
effektive Verstellung der Resonanzfrequenz ist es, wenn die Verstellbewegungsrichtung
des Kolbens im Wesentlichen in Richtung einer gedachten Verbindungslinie zwischen
der Tilgerbasis und der Trägheitsmasse verläuft. Bei
einer geradlinig verlaufenden Blattfeder ist als Verstellrichtung
insbesondere die Blattfederrichtung vorteilhaft.
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Zum
Antrieb der Verstellbewegung des Kolbens ergeben sich vielfältige Möglichkeiten
(z. B. elektromotorisch, hydraulisch oder pneumatisch).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Kolben in dem Gehäuse eine erste Kammer und eine
zweite Kammer begrenzt und wenigstens eine der beiden Kammern mit
einem variablen Fluiddruck zur Verstellung des Kolbens beaufschlagbar
ist. Der Begriff "Fluid" soll hierbei eine Flüssigkeit
wie z. B. Hydrauliköl
oder ein Gas wie z. B. Luft bezeichnen.
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Die
mit variablem Fluiddruck beaufschlagbare Kammer kann z. B. mit einem
von außen
zugänglichen
Fluidanschluss zum Anschließen
einer externen Fluidleitung versehen sein.
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Was
die Bereitstellung und Übertragung
eines variablen Fluiddrucks anbelangt, so kann auf vielfältige Konzepte
zurückgegriffen
werden, wie sie an sich aus dem Bereich der technischen Hydraulik und
Pneumatik bekannt sind.
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So
kann die Trägheitsmasse
z. B. als "doppeltwirkender
Hydraulik- oder Pneumatikzylinder" dergestalt ausgebildet sein, dass die
erste Kammer und die zweite Kammer jeweils fluiddicht, jedoch jeweils
mit einem Fluidanschluss zur Zufuhr und Abfuhr des betreffenden
Fluids versehen sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass in dem Gehäuse
wenigstens eine den Kolben in einer seiner Verstellbewegungsrichtungen
vorbelastende Feder angeordnet ist. Bei dieser Ausführung kann
ein an sich bekannter "einfachwirkender
Hydraulik- oder Pneumatikzylinder" z. B. dadurch realisiert werden, dass
die Federvorbelastung der Fluiddruckbelastung entgegenwirkt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Enden einer den Kolben vorbelastenden Feder
in zur Lagerung geeignet dimensionierten Aussparungen einerseits
einer Gehäuseinnenwand
und andererseits des Kolbens angeordnet sind.
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Die
Feder kann beispielsweise als Spiralfeder (z. B. aus Federstahl)
ausgebildet sein.
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Eine
z. B. fertigungstechnisch günstige
Ausführung
sieht vor, dass das Gehäuse
eine zylindrische, den Kolben bei seiner Verstellbewegung führende Innenum fangsfläche aufweist.
Falls die Verstellbewegung wenigstens teilweise durch ein Fluid angetrieben
wird, so kann bei der Gestaltung des Kolbens und/oder des Gehäuses, z.
B. im Hinblick auf eine fluiddichte Kolbenführung auf bekannte Konstruktionen
aus dem Bereich der Hydraulik oder Pneumatik zurückgegriffen werden. Was eine
gegebenenfalls erforderliche Abdichtung zwischen einer Außenumfangsfläche des
Kolbens und einer Innenumfangsfläche
des Gehäuses
anbelangt, so kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft der Umstand
genutzt werden, dass bei der Erfindung ein in seiner Verstellrichtung
betrachtet möglichst
langer Kolben (auf Grund seiner größeren Masse) bevorzugt ist. Eine
möglichst
reibungsfreie und dennoch fluiddichte Kolbenführung wird damit tendenziell
vereinfacht.
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In
einer ebenfalls fertigungstechnisch vorteilhaften Ausführungsform
ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil des Gehäuses einstückig mit der Blattfeder ausgebildet
ist, z. B. aus Stahl. Falls mehrere Feder-Masse-Systeme an der Tilgerbasis
vorgesehen sind, so können
die einzelnen Blattfedern zusammen mit ihren Gehäusen oder Gehäuseteilen einstückig ausgebildet
sein.
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Eine
bevorzugte Verwendung des Schwingungstilgers ist die Lärmreduzierung
in einem Boden-, Wasser- oder Luftfahrzeug.
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In
einer Ausführungsform
ist beispielsweise vorgesehen, dass mehrere Tilger verteilt an der
Innenfläche
eines Flugzeugrumpfteils angeordnet sind. Die Tilger sind hierbei
bevorzugt sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung
des Flugzeugrumpfteils verteilt angeordnet, wobei der in Längsrichtung
betrachtet von Tilgern besetzte Bereich sich bevorzugt über einen
Großteil
der Rumpfteillänge
erstreckt. Was die Anzahl von Tilgern in einem derartigen Schwingungsdämpfungs- bzw. Lärmreduzierungssystem
anbelangt, so kann für
eine bestimmte Flugzeuglänge
bereits mit einer Anzahl von etwa 5 bis 15 Tilgern pro Meter der
Flugzeuglänge
eine beträchtliche
Wirkung erzielt werden.
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Das
beschriebene Konzept ermöglicht
eine sehr zuverlässige,
effiziente und kostengünstige
Vibrationsdämpfung.
Insbesondere ein pneumatischer Mechanismus zur Kolbenverstellung
kann sehr einfach und robust realisiert werden. Die Konstruktion gestattet
in einfacher Weise die Anordnung von Schwingungssensoren zur Messwertaufnahme
bei einer Ansteuerungsregelung und/oder zur Überwachung der Tilgerfunktion.
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Insbesondere
für größere Installationsumgebungen,
wie beispielsweise bei der vorstehend erläuterten Lärmreduzierung in einem Luftfahrzeug,
kann für
eine konstruktiv einfache Schwingungstilgung auch ein Schwingungsdämpfungssystem
eingesetzt werden, welches mehrere Schwingungstilger mit jeweils
einstellbarer Resonanzfrequenz und eine Einstelleinrichtung zur
Einstellung der Resonanzfrequenz(en) umfasst. Die hierfür verwendeten
Schwingungstilger können
wenigstens zum Teil, insbesondere allesamt in oben beschriebener
Weise (mit einem verstellbaren Kolben) ausgebildet sein.
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Bevorzugt
sind wenigstens zwei der Resonanzfrequenzen in einem Schwingungsdämpfungssystem
unabhängig
voneinander einstellbar oder regelbar.
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In
einer Weiterbildung eines solchen Schwingungsdämpfungssystems ist vorgesehen,
dass die Einstellung der Resonanzfrequenz(en) eines Teils der Schwingungstilger
auf eine vorbestimmte Grundfrequenz und die Einstellung der Resonanzfrequenz(en)
eines anderen Teils der Schwingungstilger auf eine Harmonische der
Grundfrequenz vorgesehen ist. Die Tilger können hierbei in einzelne Gruppen aufgeteilt
sein, mittels welchen jeweils eine bestimmte Erregungsfrequenz gedämpft werden
soll. Da sich die harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz sowohl
untereinander als auch bezüglich
der Grundfrequenz mehr oder weniger stark unterscheiden, ist es
hierbei bevorzugt, für
jede solche zu dämpfen de Frequenzkomponente
eine daran angepasste Tilgerkonstruktion zu verwenden. Bei einer
solchen Tilgergruppe kann die zu dämpfende Frequenz durch die Dimensionierung
bereits "grob eingestellt" sein.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass neben einer Tilgergruppe für die Grundfrequenz einer zu
dämpfenden
Erregungsschwingung zumindest zwei weitere Tilgergruppen zur Dämpfung der ersten
Harmonischen und der zweiten Harmonischen vorgesehen sind.
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Wenn
bei dem Schwingungsdämpfungssystem
eine hydraulische oder pneumatische Einstellung der einzelnen Resonanzfrequenzen
vorgesehen ist, so umfasst das System bevorzugt eine Fluiddruckquelle
(Pumpeinrichtung) zur Bereitstellung eines Ansteuerfluiddrucks für mehrere,
insbesondere alle Tilger des Systems.
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Bei
dem Schwingungsdämpfungssystem können vorteilhaft
insbesondere Tilger verwendet werden, deren Resonanzfrequenz sich
in einem gewissen Frequenzbereich stufenlos einstellen lässt. Mittels
der oben beschriebenen Tilgerkonstruktion können hierfür in konstruktiv einfacher
Weise Tilger bereitgestellt werden, deren Resonanzfrequenz monoton
mit einem Fluiddruck variiert, der dem Tilger über eine Fluiddruckleitung
zugeführt
wird. Zur Einstellung eines stufenlos variablen Fluiddrucks eignen sich
z. B. an sich bekannte Proportionalventile, die in einem solchen
System verwendet werden können, um
den Ansteuerdruck für
einen oder mehrere Tilger auszugeben. Sämtliche Druckeinstelleinrichtungen können z.
B. an einer oder mehreren "zentralen" Fluiddruckquellen
angeschlossen sein. Es ist hierbei keineswegs ausgeschlossen, dass
ein und dieselbe Druckeinstelleinrichtung zur Einstellung von zwei oder
mehr verschiedenen Frequenzen genutzt wird. Dies kann insbesondere
dann zweckmäßig sein, wenn
das oder die erregten Bauteile neben einer Erregungsgrundfrequenz
auch störende
Vibrationen von einer oder mehreren Harmonischen dieser Grundfrequenz
anregen und die Schwin gungstilger entsprechend den verschiedenen
Frequenzen in Frequenzgruppen aufgeteilt sind. Da eine Veränderung der
Erregungsgrundfrequenz mit einer entsprechenden Veränderung
sämtlicher
harmonischer Frequenzen einhergeht, können die verschiedenen Tilgergruppen
bei entsprechender Konstruktion ohne Weiteres durch einen gemeinsamen
Ansteuerfluiddruck beaufschlagt werden. In einer alternativen Ausführungsform
ist für
jede im System einzustellende Resonanzfrequenz eine eigene Druckeinstelleinrichtung vorgesehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. In denen zeigt jeweils schematisch:
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1 einen
Schwingungstilger gemäß eines ersten
Ausführungsbeispiels,
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2 eine
Darstellung zur Veranschaulichung einer bevorzugten Verwendung des
Schwingungstilgers im Rumpfbereich eines Flugzeugs,
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3 ein
Detail eines Schwingungstilgers gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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4 ein
Detail eines Schwingungstilgers gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
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5 ein
Detail eines Schwingungstilgers gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
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6 ein
Detail eines Schwingungstilgers gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels,
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7 ein
Schwingungsdämpfungssystem gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels,
und
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8 ein
Schwingungsdämpfungssystem gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
einen Schwingungstilger 10 zur Dämpfung von Schwingungen eines
dynamisch erregten Bauteils 12, bei welchem es sich beispielsweise
um ein Strukturbauteil einer Maschine oder eines Fahrzeugs handeln
kann. Die Anordnung des Tilgers 10 an einem derartigen
Bauteil ermöglicht
insbesondere die Verringerung von Körperschall und Lärm, der
durch die Bauteilschwingung entsteht.
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Der
Tilger 10 umfasst eine schwingungsfest mit dem Bauteil 12 verbindbare
Tilgerbasis 14. Im dargestellten Beispiel ist die Basis 14 lösbar mittels Verschraubungen 16 am
Bauteil 12 befestigt.
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Ferner
umfasst der Tilger 10 zwei schwingungsfähige Feder-Masse-Systeme 18-1 und 18-2, die
im dargestellten Beispiel identisch ausgebildet sind und jeweils
aus einer von der Basis 14 abstehenden Blattfeder 20-1 bzw. 20-2 mit
einer am freien Ende der Blattfeder angeordneten Trägheitsmasse 22-1 bzw. 22-2 bestehen.
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Die
Blattfedern 20-1, 20-2 sind von beiderseits der
Basis 14 diametral abstehenden Abschnitten einer durchgehenden
Blattfeder 20 gebildet, die in ihrem mittleren Bereich
ebenfalls lösbar
(mittels Verschraubungen 24) an der Basis 14 befestigt
ist.
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Die
dynamische Erregung des Bauteils 12 wird somit über die
Basis 14 auf die Feder-Masse-Systeme 18-1, 18-2 übertragen
und bewirkt eine in der Figur durch Pfeile symbolisierte Schwingung, die
in bekannter Weise kompensierend bzw. dämpfend auf die Bauteilerregung
wirkt.
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Für eine besonders
effiziente Schwingungsdämpfung
kann die Resonanzfrequenz der Feder-Masse-Systeme 18-1, 18-2 in
nachfolgend beschriebener Weise verändert bzw. eingestellt werden.
Da der hierfür
vorgesehene Mechanismus für beide
Systeme 18-1 und 18-2 identisch ausgebildet ist,
wird hierbei die Verstellbarkeit lediglich für das in 1 linke
System 18-1 detailliert beschrieben. Das in 1 rechte
System 18-2 funktioniert in entsprechender Weise.
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Die
Bezugszahlen von in einer Ausführungsform
mehrfach vorgesehenen, in ihrer Wirkung jedoch analogen Komponenten,
sind durchnumeriert (jeweils ergänzt
durch einen Bindestrich und eine fortlaufende Zahl). Auf einzelne
solcher Komponenten oder auf die Gesamtheit solcher Komponenten wird
in der Beschreibung auch durch die nicht-ergänzte Bezugszahl Bezug genommen.
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Die
Trägheitsmasse 22-1 weist
ein Gehäuse 26-1 mit
einem darin zur Verstellung der Resonanzfrequenz des Systems 18-1 hin
und her (d.h. in 1 nach links und rechts) bewegbaren
Kolben 28-1 auf. Wenn der Kolben 28-1 in der Figur
nach links verstellt wird, so verlagert sich das Massezentrum der
Trägheitsmasse 22-1 dementsprechend
nach links, wodurch sich die Resonanzfrequenz verringert. Umgekehrt
führt eine
Verstellung des Kolbens 28-1 nach rechts zu einer Erhöhung der
Resonanzfrequenz.
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Der
Kolben 28-1 besitzt einen kreisrunden Querschnitt und liegt
mit seinem Umfang im Wesentlichen luftdicht an der Innenumfangsfläche des
insgesamt etwa zylindrischen Gehäuses 26-1 verschiebbar
an. Der Kolben 28-1 begrenzt in dem Gehäuse 26-1 eine erste,
in der Figur rechte Kammer 30-1 und eine zweite, in der
Figur linke Kammer 32-1.
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Zur
Verstellbarkeit des Kolbens 28-1 ist die im Wesentlichen
luftdicht ausgebildete Kammer 30-1 über einen Luftanschluss 34-1 an
ein Pneumatiksystem angeschlossen, von welchem in 1 eine
gemeinsame Druckluftleitung 36 sowie zwei über ein T-Stück 38 sich
daran anschließende
Druckluftleitungen 40-1 und 40-2 ersichtlich sind.
In der Kammer 32-1 ist eine Druckfeder 42-1 angeordnet,
deren Enden sich einerseits an einer Stirnwand des Gehäuses 26-1 und
andererseits an einer Stirnseite des Kolbens 28-1 abstützt.
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Die
Stellung des Kolbens 28-1 ergibt sich somit als eine Gleichgewichtsstellung,
bei welcher die durch den Druck in der Kammer 30-1 auf
den Kolben 28-1 ausgeübte
Kraft durch die entgegengesetzt wirkende Federkraft gerade kompensiert
wird.
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Im
dargestellten Beispiel besitzt die Kammer 32-1 eine Belüftungsöffnung 44-1,
so dass der Kolben 28-1 von links lediglich durch die elastische
Kraft der Druckfeder 42-1 belastet wird. Diese Öffnung kann
auch mit einer elastischen Gummimembran gegen Eindringen von Feuchte
abgeschlossen werden. Entsprechend der Ausbildung als eine Spiralfeder
ergibt sich im dargestellten Beispiel somit ein linearer Zusammenhang
zwischen dem vom Pneumatiksystem bereitgestellten Druck und der
Kolbenstellung. Bevorzugt ist im Gehäuse 26-1 wenigstens
ein Anschlag (nicht dargestellt) für die Kolbenverstellbewegung
nach rechts derart vorgesehen, dass die Feder 42-1 stets
eine gewisse Mindestkraft auf den Kolben 28-1 ausübt. Alternativ kann die in
der Figur rechte Gehäusestirnwand
als ein solcher Anschlag dienen.
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Durch
die Verwendung der gemeinsamen Druckluftleitung 36 können die
beiden Feder-Masse-Systeme 18-1, 18-2 synchron
in ihrer Resonanzfrequenz verstellt werden. Abweichend vom dargestellten
Ausführungsbeispiel
könnten
selbstver ständlich
auch separate Druckleitungen für
die einzelnen Feder-Masse-Systeme vorgesehen sein, z. B. um diese
unabhängig
voneinander anzusteuern. Außerdem
ist die in 1 dargestellte Anzahl und Anordnung
der Feder-Masse-Systeme selbstverständlich nur beispielhaft zu
verstehen und kann in der Praxis auch modifiziert werden.
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Die
zum Verstellen der Kolben 28-1 und 28-2 vorgesehenen
Verstellmittel sind bevorzugt für
eine stufenlose Kolbenverstellung ausgebildet. Bei der dargestellten
pneumatischen Verstellung kann dies z. B. in einfacher Weise durch
Verwendung von so genannten Proportionalventilen bewerkstelligt
werden, mit denen eine stufenlose Druckverstellung erzielt werden
kann. Derartige Proportionalventile sind Fachleuten wohlbekannt
und bedürfen
keiner näheren
Erläuterung.
Im Rahmen der Erfindung können
z. B. vorteilhaft elektrisch betätigte
Proportionalventile zur Druckeinstellung verwendet werden.
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Der
Pneumatikdruck, oder ganz allgemein das Ansteuersignal der Kolbenverstellung,
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
durch eine Regelung bereitgestellt, welche anhand von Sensorsignalen
eine für
den betreffenden Anwendungsfall optimale Einstellung vornimmt. Als
hierfür
geeignete Sensorsignale kommen z. B. Signale in Betracht, die repräsentativ
für die
Amplitude der am Feder-Masse-System
hervorgerufenen Schwingung sind.
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Bei
dem in 1 dargestellten Tilger 10 kann durch
die Kolbenverstellung eine relative Resonanzfrequenzänderung
von etwa 25% erreicht werden, was insbesondere für eine unten noch beschriebene
Verwendung zur Lärm-
und Schwingungsreduzierung in einem Flugzeug zumeist ausreichend
ist. Der Resonanzfrequenzbereich kann z. B. in einer Größenordnung
von wenigen 100 Hz liegen. Für
eine effiziente Verstellung ist es von Vorteil, wenn die Masse des
Kolbens einen nennenswerten Anteil an der Gesamtmasse des betreffenden
Feder-Masse- Systems
und/oder der betreffenden Trägheitsmasse
besitzt. Außerdem
ist es hierfür
günstig,
wenn die Verstellbewegungsrichtung des Kolbens derart gewählt ist,
dass bereits eine geringe Verstellung eine möglichst große Änderung der Resonanzfrequenz
hervorruft.
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Aus
fertigungstechnischer Sicht günstig kann
bei dem Tilger 10 vorgesehen sein, dass die Blattfeder 20 zusammen
mit einem Teil der beiden Gehäuse 26-1, 26-2 aus
einem Stück
(z. B. aus Stahl) hergestellt wird. In einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Mantelbereiche und innenliegenden Stirnbereiche
dieser Gehäuse
einstückig
mit der Blattfeder 20 ausgebildet sind, wohingegen die beiden äußeren Stirnseitenbereiche
separat als Deckelteile ausgebildet und montiert werden.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende
Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch
einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei
wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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2 veranschaulicht
am Beispiel eines im Querschnitt dargestellten Flugzeugrumpfes 50a die Verwendung
einer Vielzahl von Schwingungstilgern 10a der mit Bezug
auf 1 erläuterten
Art. Die Tilger 10a sind in Umfangsrichtung und in Längsrichtung
des Flugzeugrumpfes 50a verteilt angeordnet und dienen
zur Lärm- bzw. Schwingungsreduzierung im
Flugzeuginnenraum, bei dem es sich z. B. um ein Passagier- oder
Transportflugzeug handeln kann.
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Die
in diesem Anwendungsbeispiel relevanten Vibrationen des Flugzeugrumpfes 50a resultieren in
erster Linie aus Körperschallvibrationen,
die im Bereich des oder der Triebwerke (oder Propeller) verursacht
werden. Die Einstellung der jeweiligen Resonanzfrequenzen der Tilger 10a kann
z. B. basierend auf Sensorsignalen erfolgen, die repräsentativ
für einen
Betriebszustand der Triebwerke (z. B. Drehzahl) sind.
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Die
Trägheitsmassen
der Tilger 10a besitzen in diesem Beispiel eine Gesamtmasse
in der Größenordnung
von 1kg pro Tilger.
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Die 3 bis 6 veranschaulichen
beispielhaft einige modifizierte Ausführungsformen von Feder-Masse-Systemen.
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Ein
in 3 dargestelltes Feder-Masse-System 18b ist
im Wesentlichen wie die Systeme 18-1 und 18-2 von 1 aufgebaut,
jedoch ist ein insgesamt fluiddichtes Gehäuse 26b vorgesehen.
Eine in der Figur rechte Gehäusekammer 30b kann
in oben bereits beschriebener Weise über eine Druckleitung 40b mit
variablem Fluiddruck beaufschlagt werden. Im Unterschied zu der
mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsform
wird die von der anderen Seite auf einen Kolben 28b wirkende
elastische Kraft sowohl von einer in einer zweiten Kammer 32b untergebrachten
Druckfeder 42b als auch von einem in dieser Kammer 32b eingeschlossenen
Gasvolumen (z. B. Luft) bereitgestellt, welches abhängig von
der Kolbenstellung mehr oder weniger komprimiert wird.
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Bei
der in 4 dargestellten Modifikation kann die linke (äußere) Gehäusekammer 32c über einen
Fluidanschluss 34c mit variablem Fluiddruck beaufschlagt
werden, wohingegen die in der Figur rechte (innere) Gehäusekammer 30c eine
Druckfeder 42c aufnimmt.
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Die
oben beschriebenen Ausführungen
mit einer Druckfeder in einer der beiden vom Kolben begrenzten Gehäusekammern
können
auch dergestalt modifiziert werden, dass die Feder (als Zugfeder
wirkend) in der jeweils anderen Kammer untergebracht wird.
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Eine
weitere Modifikation besteht darin, beide Kammern jeweils mit einer
den Kolben belastenden Feder zu versehen. Eine derartige Ausführungform
ist in 5 dargestellt.
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6 zeigt
schließlich
eine Modifikation der mit Bezug auf 1 beschriebenen
Ausführung,
bei welcher eine Fluiddruckleitung 40e im Inneren einer Blattfeder 20e verläuft. Eine
solche Leitung, wie auch im Bereich einer Tilgerbasis 14e sich
daran anschließende
gemeinsame Leitung 36e kann z. B. als Bohrung in der Blattfeder 20e ausgebildet
sein. Dementsprechend kann auch das bei der Ausführung gemäß 1 vorgesehene
T-Stück 38 durch
eine entsprechende Kreuzungsstelle solcher Bohrungen innerhalb der
Blattfeder realisiert sein. Bei dieser Ausführung ist die oben bereits
erwähnte
einstückige
Ausbildung der Blattfeder mit wenigstens einem Teil des Gehäuses besonders
vorteilhaft. Die in 6 ersichtliche Blattfeder 20e ist
im Bereich der Befestigung (Verschraubungen 24e) mit einer
vergrößerten Dicke
vorgesehen, was einerseits die Ausbildung der Fluiddruckleitungen
in diesem Bereich vereinfacht und andererseits eine hinsichtlich
der Blattfederbiegung gut definierte Anbindung der Blattfeder 20e an der
Tilgerbasis 14e bewirkt.
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Mit
den oben beschriebenen Ausführungsformen
werden Schwingungstilger mit abstimmbarer Resonanzfrequenz bereitgestellt,
wobei die Verstellung z. B. durch ein sehr einfach bauendes pneumatisches
System bewirkt werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung ist weniger aufwendig,
schwer und anfällig
als bekannte Lösungen.
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Nachfolgend
werden mit Bezug auf die 7 und 8 noch zwei
Ausführungsbeispiele
für ein Schwingungsdämpfungssystem
beschrieben, welches eine größere Anzahl
von Tilgern (z. B. mehr als 10, insbesondere mehr als 100) aufweist.
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7 veranschaulicht
ein pneumatisch betriebenes Schwingungsdämpfungssystem 60f umfassend
300 Tilger 10f in einer eher "zentralisierten Struktur".
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Eine
zentrale Druckluftquelle 62f versorgt eine oder mehrere
zentrale Druckeinstelleinheiten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind 3 solche Druckeinstelleinheiten 64f-1, 64f-2 und 64f-3 (z.
B. Proportionalventile) vorgesehen.
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Die
zentralen Druckeinstelleinheiten 64f werden gemeinsam von
der Druckluftquelle 62f mit Druckluft versorgt und stellen
an Ausgangsanschlüssen
jeweils einen reduzierten Druck für drei Subsysteme 66f-1, 66f-2 und 66f-3 bereit.
Eine zentrale elektronische Steuereinheit 68f gibt hierfür an jede der
Druckeinstelleinheiten 64f-1 bis 64f-3 ein elektrisches
Ansteuersignal aus, auf dessen Basis die Druckeinstellung erfolgt.
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Jedes
der Subsysteme 66f-1 bis 66f-3 wird demnach mit
einem individuell eingestellten Luftdruck versorgt, der innerhalb
des betreffenden Subsystems wie dargestellt auf jeweils 100 Tilgersysteme 70f-1, 70f-2, 70f-3,
... verzweigt wird.
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Wie
in 7 symbolisiert, erfolgt für die jeweils 100 Tilgersysteme 70f eines
Subsystem 66f eine gemeinsame Druckbeaufschlagung über die entsprechende
Druckeinstelleinheit 64f.
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Die
Tilger 10f besitzen beispielsweise einen Aufbau der oben
bereits beschriebenen Art, wobei an jedem Tilger zwei Messwertaufnehmer 72f (z.
B. piezoelektrische Sensoren) angeordnet sind, welche ein den Schwingungszustand
des Tilgers repräsentierendes
Sensor- oder Datensignal an eine jeweils einem Tilger 10f zugeordnete
Messelektronik 74f liefern, die wiederum in Kommunikationsverbindung
mit einem Kommunikationsbus 76f steht.
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Die
ebenfalls an diesem Kommunikationsbus 76f angeschlossene
zentrale elektronische Steuereinheit 78f wertet die von
den einzelnen Messelektroniken 74f ermittelten Daten aus,
um basierend auf diesen Daten, und gegebenenfalls weiteren Eingangsdaten,
die Ansteuersignale für
die Druckeinstelleinheiten 64f zu erzeugen. Außerdem kann
die Steuereinheit 68f eine Diagnosefunktionalität besitzen,
mittels welcher Funktionsstörungen
oder Defekte im Bereich der einzelnen Tilgersysteme 70f erkannt
werden können.
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Die
Verwendung von mehreren (hier: 3) zentralen Druckeinstelleinheiten
besitzt den Vorteil, dass im Falle des Ausfalls einer dieser Einheiten
die übrigen
Einheiten weiterbetrieben werden können. Der Anschluss von mehreren
(hier: 100) Tilgersystemen 70f an jeder Druckeinstelleinheit 64f vereinfacht
die Anordnung der Druckluftleitungen und gewährleistet eine gleichmäßige Druckversorgung
sämtlicher
zu einem Subsystem 66f zusammengefassten Tilgersysteme 70f.
Die Anzahl von Subsystemen 66f wie auch die Anzahl von
Tilgersystemen 70f pro Subsystem 66f kann selbstverständlich dem
jeweiligen Anwendungfall angepasst gewählt werden. Auch können sich
die einzelnen Subsysteme 66f hinsichtlich der Anzahl der
davon jeweils umfassten Tilgersysteme 70f unterscheiden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
besitzt die Verwendung von mehreren separaten Druckeinstelleinheiten 64f insofern
noch eine weitere Funktion, als die Subsysteme 66f jeweils
für sich
betrachtet zwar identische Tilgersysteme 70f beinhalten,
die Tilgersysteme 70f der verschiedenen Subsysteme 66f jedoch
unterschiedlich ausgebildet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Tilger des Subsystems 66f-1 beispielsweise auf
eine Grundfrequenz einer zu dämpfenden Schwingung
eingestellt, wohingegen die Tilger der zweiten und dritten Subsysteme 66f-2 bzw. 66f-3 auf
eine Resonanzfrequenz eingestellt werden, die der ersten bzw. zweiten Harmonischen
der Grundfrequenz entspricht. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass
in der Praxis neben der Grundschwingung einer (z. B. durch ein Flugzeugtriebwerk
hervorgerufenen) Vibration oftmals deren Harmonische mit nennenswerter
Intensität
angeregt werden. Die drei Subsysteme 66f-1 bis 66f-3 können dann
individuell auf jede dieser drei Frequenzen abgestimmt werden.
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Da
es aus praktischer Sicht aufwendig wäre, ein und dieselbe Tilgerkonstruktion
für mehrere
solche Frequenzen abstimmbar vorzusehen, ist im dargestellten Beispiel
für jede
dieser Frequenzen eine angepasste Tilgerkonstruktion vorgesehen.
Für eine solche "Grobeinstellung" der Resonanzfrequenz
ergeben sich augenscheinlich zahlreiche Möglichkeiten, wie z. B. eine
Anpassung der Blattfedergeometrie (z. B. Blattfederlänge und/oder
-breite und/oder -dicke) und/oder eine Anpassung der Trägheitsmassen
(in Form und Masse).
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Alternativ
oder zusätzlich
zu der oben erläuterten
Zuordnung der Subsysteme 66f zu einer jeweiligen Schwingungsfrequenz
können
diese Subsysteme auch bestimmten Einheiten bzw. Orten des betreffenden
Gesamtsystems zugeordnet werden.
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8 zeigt
ein Schwingungsdämpfungssystem 60g mit
einer eher "dezentralisierten
Struktur".
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Bei
diesem System 60g sind als zentrale Komponenten lediglich
eine zentrale Luftdruckquelle 62g und eine zentrale elektronische
Steuereinheit 68g vorgesehen.
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Die
Druckluftquelle 62g ist mit einer Druckluft-Hauptleitung 80g verbunden,
von welcher 300 Abzweigungsleitungen zu jeweils einem von 300 Tilgersystemen 70g führen.
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Die
elektronische Steuereinheit 68g steht in Kommunikationsverbindung
mit einem Kommunikationsbus 76g, an welchem wiederum jedes
der Tilgersysteme 70g angeschlossen ist.
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Jedes
der Tilgersysteme 70g umfasst eine dezentrale Druckeinstelleinheit 64g,
die von einer dezentralen Elektronikeinheit 82g desselben
Tilgersystems 70 elektrisch angesteuert wird. Die dezentralen Druckeinstelleinheiten 64g sind
bevorzugt jeweils als piezobetätigte
Proportional-Pneumatikventile ausgebildet.
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Dieselbe
dezentrale Elektronikeinheit 82g wertet auch die von Messwertaufnehmern 72g des betreffenden
Tilgers 10g gelieferten Sensorsignale aus, um eine Regelung
des von der Druckeinstelleinheit 64g zum Tilger 10g ausgegebenen
Pneumatikdrucks zu bewerkstelligen. Die zwischen den einzelnen dezentralen
elektronischen Steuereinheiten 82g einerseits und der zentralen
elektronischen Steuereinheit 68g andererseits bestehende
Kommunikationsverbindung gestattet eine zentrale Diagnose des Gesamtsystems
durch die Einheit 68g.
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Bei
der in 8 dargestellten Struktur könnte die Funktionalität der Druckregelung
auf Basis der Messsignale auch ganz oder teilweise auf die zentrale
elektronische Steuereinheit 68g übertragen werden.
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Die
oben beschriebenen Ausführungen
eines Schwingungsdämpfungssystems
können
beispielsweise bei der mit Bezug auf 2 erläuterten Anwendung
vorteilhaft zum Einsatz kommen.