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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungstilger mit veränderbarer
Tilgereigenfrequenz, der eine an einem Ende einer Biegefeder gelagerte Tilgermasse
und ein ein anderes Ende der Biegefeder einspannendes Anschlusselement
zum Anschließen
des Schwingungstilgers an eine Struktur, deren Schwingungen abzumindern
sind, aufweist.
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STAND DER TECHNIK
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Es
ist bekannt, dass mit einem Schwingungstilger die Schwingungen einer
Struktur effektiv abgemindert werden können, wobei die von der Struktur
angeregten Schwingungen des Schwingungstilgers Gegenkräfte zu den
Schwingungen der Struktur bereitstellen. Wenn die Tilgereigenfrequenz des
Schwingungstilgers genau auf die Frequenz der abzumindernden Schwingungen
der Struktur abgestimmt ist, hält
der Schwingungstilger die Struktur bei dieser Frequenz in Ruhe.
Dabei ist die Funktion eines Schwingungstilgers rein passiv. Es
muss ihm also weder Energie zugeführt werden, noch bedarf es
einer besonderen Ansteuerung.
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Ein
bekannter Nachteil von Schwingungstilgern ist jedoch, dass sie ihre
Wirkung nur im unmittelbaren Bereich ihrer Tilgereigenfrequenz entfalten. Dieser
Bereich kann zwar etwas aufgeweitet werden, indem die Bewegungen
der Tilgermasse des Schwingungstilgers gedämpft wird. Hierdurch wird jedoch seine
Effektivität
beim Abmindern von Schwingungen der Struktur bei der Tilgereigenfrequenz
reduziert.
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Es
sind verschiedene Maßnahmen
bekannt, um die Tilgereigenfrequenz eines passiven Schwingungstilgers
der eingangs beschriebenen Art veränderbar zu machen, damit sie
an unterschiedliche Frequenzen von abzumindernden Schwingungen der Struktur
angepasst werden können.
Hierzu gehört es,
den Abstand des Schwerpunkts der Tilgermasse von dem Anschlusselement
zu erhöhen,
indem die Tilgermasse z.B. aus mehreren in der Richtung dieses Abstands
gegeneinander teleskopierbaren Teilen ausgebildet wird. Der auf
diese Weise mit der Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers abdeckbare Frequenzbereich
ist jedoch nur vergleichsweise klein. Gleichzeitig ist der für das tatsächliche
teleskopieren der Teile der Tilgermasse erforderliche technische
Aufwand groß.
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Es
gibt weiterhin Versuche, die Steifigkeit der Biegefeder eines Schwingungstilgers
der eingangs beschriebenen Art zu variieren, indem sie in Richtung zwischen
ihren beiden Enden mit einem biegeweichen Element beaufschlagt wird
(vgl. hierzu die
EP 1 528 281 ).
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen passiven Schwingungstilger
der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei dem die Tilgereigenfrequenz
veränderbar
ist, ohne die Tilgermasse oder die Biegefeder selbst manipulieren
zu müssen.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen Schwingungstilger mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des
neuen Schwingungstilgers sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
10 definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Schwingungstilger wird statt der Steifigkeit der Biegefeder
selbst eine Steifigkeit ihrer Einspannung an dem Anschlusselement
verändert.
Hierdurch wird die Steifigkeit, mit der sich die Tilgermasse des
neuen Schwingungstilgers insgesamt an dem Anschlusselement abstützt, mit
höchster
Effektivität
variiert, so dass mit der Tilgereigenfrequenz sehr große Frequenzbereiche
abgedeckt werden können.
Wenn die Steifigkeit der Einspannung des anderen Endes der Biegefeder
an dem Anschlusselement sehr groß ist, wirken auf die Tilgermasse
effektiv nur die von der Biegefeder bereitgestellten Rückstellkräfte. Wenn
sich hingegen die Steifigkeit der Einspannung des anderen Endes
der Biegefeder an dem Anschlusselement an die Größenordnung der Steifigkeit
der Biegefeder annähert, "sieht" die Tilgermasse
zwischen sich und dem Anschlusselement eine Reihenschaltung von
zwei Elastizitäten,
die beide relevant zu den auf sie wirkenden Rückstellkräften beitragen. Hierdurch wird
die Tilgereigenfrequenz des neuen Schwingungstilgers gegenüber der
an ihrem anderen Ende starr eingespannten Biegefeder stark abgesenkt.
Durch ein graduelles Herabsetzen der Steifigkeit der Einspannung
des anderen Endes der Biegefeder kann der gesamte Zwischenbereich an
Eigenfrequenzen für
die Abstimmung des neuen Schwingungstilgers genutzt werden.
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Grundsätzlich ist
es denkbar, die Einspannung des anderen Endes der Biegefeder an
dem Anschlusselement bezüglich
ihrer Steifigkeit manuell zu variieren, beispielsweise indem Spannschrauben
im Bereich ihrer Elastizität
unterschiedlich stark angezogen werden. Bevorzugt ist es jedoch,
wenn ein mit einer Steuerung ansteuerbarer Aktuator zum Verändern der
Steifigkeit der Anspannung vorgesehen ist. Dieser Aktuator kann
insbesondere ein Linearaktuator sein. Ein solcher Linearaktuator
kann direkt eine Kraft bereitstellen, mit der das andere Ende der
Biegefeder an dem Anschlusselement eingespannt wird. Dabei wird
die Steifigkeit dieser Einspannung durch die Steifigkeit des Linearaktuators
selbst und durch die Steifigkeit eines die Gegenkraft zu der Kraft
des Aktuators aufbringenden Teils des Anschlusselements bestimmt.
Diese Steifigkeiten müssen
sich allerdings mit der Kraft des Aktuators ändern, um die Tilgereigenfrequenz
variieren zu können.
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Im
Folgenden werden daher mehrere Möglichkeiten
erörtert,
wie mit einem oder mehreren Linearaktuatoren die Steifigkeit der
Einspannung des anderen Endes der Biegefeder des neuen Schwingungstilgers
an dem Anschlusselement veränderbar ist,
ohne dass der Linearaktuator eine sich mit der von ihm aufgebrachten
Kraft ändernde
Steifigkeit aufweisen muss. So kann mit dem Linearaktuator die effektive
Länge von
parallel zur Richtung der Biegefeder und parallel zueinander angeordneten
Biegefederelementen zwischen dem Anschlusselement und einem Zwischenelement
veränderbar
sein, an dem das andere Ende der Biegefeder starr eingespannt ist.
Die Steifigkeit der Einspannung des anderen Endes der Biegefeder
an dem Anschlusselement bestimmt sich dabei gerade aus der effektiven
Länge der
Biegefederelemente zwischen dem Anschlusselement und dem Zwischenelement.
Diese Biegefederelemente stellen keine einfache Verlängerung
der Biegefeder dar, weil sie durch ihre parallele Anordnung das
Zwischenelement in Bezug auf Biegeschwingungen der Tilgermasse gegenüber dem
Anschlusselement relativ steif abstützen. In Bezug auf Parallelbewegungen
der Zwischenelements gegenüber
dem Anschlusselement, also in der originären Einspannrichtung des anderen
Endes der Biegefeder an dem Anschlusselement ist das Zwischenelement jedoch
je nach effektiver Länge
der Biegefederelemente mehr oder weniger welch abgestützt.
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Wenn
mit dem Linearaktuator die effektive Länge der Biegefederelemente
bis auf null verkürzbar
ist, kann durch die Veränderung
der effektiven Länge
der Biegefederelemente mit dem Linearaktuator ein besonders großer Bereich
an möglichen
Tilgereigenfrequenzen des neuen Schwingungstilgers erreicht werden.
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Zur
Veränderung
der effektiven Länge
der Biegefederelemente kann mit dem Linearaktuator konkret ein in
Querrichtung starr an dem Anschlusselement oder dem Zwischenelement
abgestütztes Blockierelement
zwischen die Biegefederelemente verschiebbar sein. Die sich an dem
Blockierelement abstützenden
Anteile der Biegefederelemente stellen keine nennenswerten Elastizitäten für eine Parallelverschiebung
des Zwischenelements gegenüber dem
Anschlusselement mehr zur Verfügung.
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Mit
dem Linearaktuator kann alternativ auch der Abstand zwischen dem
Anschlusselement und dem Zwischenelement veränderbar sein. Dabei können an
dem Anschlusselement und/oder dem Zwischenelement die Biegefederelemente
in unterschiedlichen Einschubstellungen in Querrichtung starr abstützende Linearführungen
vorgesehen sein. Die in die Linearführungen eingeschobenen Teile
der Biegefederelemente stellen ebenfalls keine Elastizitäten für eine Parallelverschiebung
des Zwischenelements gegenüber
dem Anschlusselement mehr zur Verfügung.
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Bei
einem anderen Grundkonzept der Umsetzung des neuen Schwingungstilgers
ist das andere Ende der Biegefeder starr in der Mitte einer Bogenfeder
eingespannt, deren Enden ortsfest an dem Anschlusselement gelagert
sind, wobei der Linearaktuator den Abstand der Mitte der Bogenfeder
von dem Anschlusselement verändert.
Wird der Abstand der Mitte der Bogenfeder von dem Anschlusselement
mit dem Linearaktuator erhöht,
wird die Bogenfeder gegenüber
ihren ortsfest gelagerten Enden verspannt und damit insgesamt ausgesteift,
wodurch sich die Steifigkeit der Einspannung der Biegefeder an dem Anschlusselement
erhöht.
Bei einer Variante der zuletzt beschriebenen Ausführungsformen
des neuen Schwingungstilgers wird das andere Ende der Biegefeder
in der Mitte einer Blattfeder eingespannt, deren eines Ende ortsfest
an dem Anschlusselement gelagert ist, während deren anderes Ende mit
dem Linearaktuator gegenüber
dem Anschlusselement beaufschlagbar ist. Wenn der Linearaktuator
das andere Ende der Blattfeder von ihrem einen Ende weg beaufschlagt,
wird die Blattfeder gespannt und die Steifigkeit der Einspannung
der Biegefeder an dem Anschlusselement wird erhöht. Umgekehrt wird zumindest
bei einem leichten Zusammendrücken
der beiden Enden der Blattfeder die Einspannung der Biegefeder über die
Blattfeder an dem Anschlusselement weicher. Das voneinander weg
Beaufschlagen und das Zusammendrücken
der beiden Enden der Blattfeder kann auch durch zwei an jeweils
einem Ende der Blattfeder angreifenden Linearaktuatoren bewirkt werden,
wobei dann keines der beiden Enden ortsfest an dem Anschlusselement
gelagert ist.
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Vorzugsweise
ist für
den Linearaktuator des neuen Schwingungstilgers eine Steuerung vorgesehen,
die einen Schwingungssensor an dem Anschlusselement aufweist. Mit
diesem Schwingungssensor kann sie die Frequenz der Struktur erfassen, bei
der ein Abmindern von Schwingungen momentan nötig ist. Die Steuerung kann
zudem einen Schwingungssensor auch an der Tilgermasse oder der Biegefeder
aufweisen, um die Frequenz zu erfassen, mit der der Schwingungstilger
schwingt, um diese Frequenz mit einer geschlossenen Regelschleife
auf einen vorgegebenen Wert einzustellen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine teilweise geschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers mit Blickrichtung in der Biegerichtung
seiner Biegefeder.
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2 zeigt
eine teilweise geschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers mit Blickrichtung quer zur Biegerichtung
seiner Biegefeder.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch ein Zwischenelement des Schwingungstilgers
gemäß 2.
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4 zeigt
eine teilweise geschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers wieder mit Blickrichtung quer zur Biegerichtung
seiner Biegefeder.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
neuen Schwingungstilgers in einer Seitenansicht mit Blickrichtung
quer zu seiner Biegerichtung; und
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6 zeigt
eine noch weitere Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers ebenfalls in einer Seitenansicht mit
Blickrichtung quer zu der Biegerichtung seiner Biegefeder.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der
in 1 dargestellte Schwingungstilger 1 weist
eine Tilgermasse 2, eine Biegefeder 3 und ein Anschlusselement 4 auf.
Die Tilgermasse 2 ist an einem Ende 5 der Biegefeder 3 gelagert
und stützt
sich über
die Biegefeder 3 an dem Anschlusselement 4 ab.
Das andere Ende 6 der Biegefeder 3 ist an dem Anschlusselement 4 eingespannt,
wobei die Steifigkeit der Einspannung veränderbar ist. Über diese
veränderbare
Steifigkeit wird die Gesamtsteifigkeit variiert, mit der sich die
Tilgermasse 2 an dem Anschlusselement 4 abstützt und
damit die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1.
Wenn die Anspannung des anderen Endes 6 der Biegefeder 3 an
dem Anschlusselement 4 sehr steif ist "sieht" die Tilgermasse 2 nur die
Elastizität
der Biegefeder 3. Damit ist die Tilgereigenfrequenz des
Schwingungstilgers 1 maximal. Je mehr jedoch die Steifigkeit
der Einspannung des anderen Endes 6 an dem Anschlusselement 4 heruntergesetzt
wird, desto mehr sieht die Tilgermasse 2 auch die Elastizität der Einspannung, und
die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1 wird reduziert.
In diese reduzierte Tilgereigenfrequenz geht eine Reihenschaltung
der Biegefeder 3 mit der Elastizität der Einspannung des Endes 6 an dem
Anschlusselement 4 ein. Zur Veränderung der Steifigkeit der
Einspannung des Endes 6 der Biegefeder 3 und dem
Anschlusselement 4 ist ein Linearaktuator 7 vorgesehen,
der hier direkt auf das Ende 6 einwirkt und dieses gegenüber dem
Anschlusselement 4 verspannt, wobei sich die Steifigkeit
der Einspannung im Gegensatz zu einer „normalen" elastischen Einspannung mit der von
dem Linearaktuator ausgeübten
Kraft ändert.
Zur Ansteuerung des Linearaktuators 7 ist eine Steuerung 8 vorgesehen.
Die Steuerung 8 ist in den weiteren Figuren der Übersichtlichkeit
halber weggelassen.
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Bei
dem Schwingungstilger 1 gemäß den 2 und 3,
der anders als der Schwingungstilger 1 gemäß 1 mit
Blickrichtung quer zu der Biegerichtung 9 der Tilgermasse 2 wiedergegeben
ist, ist das andere Ende 6 der Biegefeder 3 in
der Biegerichtung 9 starr an einem Zwischenelement 10 eingespannt,
das sich an dem Anschlusselement 4 über zwei parallel zueinander
angeordnete Biegefederelemente 11 abstützt. Die effektive Länge der
Biegefederelemente 11 ist hier durch den Linearaktuator 7 variierbar,
indem dieser ein linear an dem Anschlusselement 4 geführtes Ankerelement 13 in
der Richtung des Abstands der Tilgermasse 2 von dem Anschlusselement 4 verschiebt.
An dem Ankerelement 13 ist ein über das Zwischenelement 10 überstehender,
eine feste Länge
aufweisender Teil 12 der Biegefeder 3 in der Biegerichtung
frei verschieblich, aber in Richtung des Abstands der Tigermasse 2 von
dem Anschlusselement 4 starr gelagert. Mit jeder Verschiebung
des Ankerelements 13 verschiebt sich entsprechend das Zwischenelement 10 in
der Richtung des Abstands der Tilgermasse 2 von dem Anschlusselement 4.
Dabei nehmen Linearführungen 14 in
dem Zwischenelement 10 die über den linearen Abstand des
Zwischenelements 10 von dem Anschlusselement 4 hinaus
gehenden Anteile der Biegefederelement 11 auf. So wird
die effektive Länge der
Biegefederelemente 11 und damit die Steifigkeit der Einspannung
des Endes 6 der Biegefeder 3 an dem Anschlusselement 4 mit
der Betätigung
des Linearaktuators 7 variiert. Je kürzer die effektive Länge der
Biegefederelemente 11 ist, desto steifer ist die Einspannung.
Wenn die effektive Länge
der Biegefederelement 11 null ist, ist die Steifigkeit
der Einspannung maximal. Wenn die Biegefederelemente 11 eine
effektive Länge > null aufweisen, so
stellen sie keine einfache Verlängerung
der Biegefeder 3 auf, da sie durch ihre Parallelanordnung
mit Abstand in der Biegerichtung 9 das Zwischenelement 10 gegenüber dem
Anschlusselement 4 parallel führen und keine Biegebewegung
des Zwischenelements 10 gegenüber dem Anschlusselement 4 zulassen.
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Bei
dem in 4 dargestellten Linearaktuator 1 ist
die Biegefeder 3 an ihrem anderen Ende 6 wieder
starr an einem Zwischenelement 10 eingespannt. Dieses Zwischenelement 10 ist
hier ausschließlich über zwei
Biegefederelemente 11 an dem Anschlusselement 4 abgestützt. Dabei
ist mit dem Linearaktuator 7 ein Blockierelement 15 zwischen
die Biegefederelemente 11 vorschiebbar, die wie bei der Ausführungsform
des Schwingungstilgers 1 gemäß den 2 und 3 grundsätzlich starr
an dem Anschlusselement 4 und dem Zwischenelement 10 eingespannt
sind. Durch das Vorschieben des Blockierelements 15, das
an den Biegefederelementen 11 anliegt, verkürzt sich
die effektive Länge
der Biegefederelemente 11 und entsprechend erhöht sich
die Steifigkeit der Abstützung
des anderen Endes 6 der Biegefeder 3 über das
Zwischenelement 10 an dem Anschlusselement 4.
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Bei
dem Schwingungstilger 1 gemäß 5 ist das
andere Ende 6 der Biegefeder 3 an einer Bogenfeder 16 starr
eingespannt, und zwar in der Mitte der Bogenfeder 16. Die
beiden Enden 17 der Bogenfeder 16 sind ortsfest
an dem Anschlusselement 4 gelagert. durch Beaufschlagung
der Bogenfeder 16 mit dem Linearaktuator 7 zwischen
dem Anschlusselement 4 und ihrer Mitte wird die Bogenfeder 16 zunehmend
gegenüber
dem Anschlusselement 4 verspannt, wodurch sich die Steifigkeit
der Einspannung des anderen Endes 6 der Bogenfeder 3 an
dem Anschlusselement 4 und entsprechend die Tilgereigenfrequenz
des Schwingungstilgers 1 erhöht.
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Bei
dem Schwingungstilger 1 gemäß 6 ist das
andere Ende 6 der Biegefeder 3 in der Mitte einer
Blattfeder 18 starr eingespannt, deren eines Ende 19 ortsfest
an dem Anschlusselement 4 gelagert ist, während ihr
anderes Ende 20 mit dem Linearaktuator 7 längs des
Anschlusselements 4 verschieblich ist. Mit dieser Verschiebung
verändert
sich die Steifigkeit der Einspannung des anderen Endes 6 der
Biegefeder 3 gegenüber
dem Anschlusselement 4. Maximal ist diese Steifigkeit dann,
wenn das Ende 20 mit dem Linearaktuator 7 von
dem Ende 19 weg gezogen und die Blattfeder 8 entsprechend
zwischen ihren beiden Enden gespannt wird. Dabei kann ein hier nicht
dargestelltes Kissen mit definierter Elastizität zwischen der Blattfeder 18 und
dem Anschlusselement 4 vorgesehen sein, um hier ein unkontrolliertes
hartes Anschlagen aufgrund von Schwingungen der Tilgermasse 2 in
der Biegerichtung 9 zu verhindern.
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- 1
- Schwingungstilger
- 2
- Tilgermasse
- 3
- Biegefeder
- 4
- Anschlusselement
- 5
- Ende
- 6
- Ende
- 7
- Linearaktuator
- 8
- Steuerung
- 9
- Biegerichtung
- 10
- Zwischenelement
- 11
- Biegefederelement
- 12
- überstehender
Teil der Biegefeder
- 13
- Ankerelement
- 14
- Linearführung
- 15
- Blockierelement
- 16
- Bogenfeder
- 17
- Ende
- 18
- Blattfeder
- 19
- Ende
- 20
- Ende