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Die
Erfindung betrifft einen aktiven Tilger, der mindestens zwei in
unterschiedliche Bewegungsrichtungen wirkende Aktoren und eine Befestigungsvorrichtung
aufweist, wobei die Aktoren einen ersten und einen zweiten Befestigungsabschnitt
aufweisen.
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Aktive
Tilger werden zur Schwingungsminderung von schwingungsfähigen Bauteilen
eingesetzt. Sie bestehen in der Regel aus einem Masse-Feder-Dämpfungssystem,
wobei durch einen Aktor auf die Masse zusätzliche Stellkräfte eingebracht werden
können.
Gegenüber
passiven Tilgern kann die nötige
Tilgermasse deutlich verringert werden. Dabei entspricht die Tilgermasse
eines aktiven Tilgers in der praktischen Anwendung in etwa einem Zehntel
der Tilgermasse eines passiven Tilgers bei vergleichbarer Wirkung.
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Aktive
Tilger können über einen
größeren Frequenzbereich
eine Schwingungsminderung erreichen als passive Tilger. Die Eigenfrequenz
eines Tilgers wird üblicherweise
auf die Frequenz der zu dämpfenden
Schwingung bzw. auf die Resonanzfrequenz des zu dämpfenden
Systems abgestimmt. Bei einem aktiven Tilger kann die Schwingung
des Systems über
einen Sensor erfaßt
und durch einen Regelkreis eine entsprechende Stellgröße für den Aktor erzeugt
werden, so daß die
Schwingung des Systems gemindert wird.
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Treten
Schwingungen in verschiedenen Bewegungsrichtungen auf, so sind in
der Regel zwei eigenständige
Tilger erforderlich. Bekannt ist auch, eine Reihenschaltung von
zwei Aktoren zu verwenden, die in unterschiedliche Bewegungsrichtungen auf
eine gemeinsame Tilgermasse wirken. Dabei bewegt der erste Aktor
den zweiten Aktor und die Tilgermasse, während der zweite Aktor nur
noch die Tilgermasse beaufschlagt. Bei einem derartigen System ist eine
aufwendige Führung
für die
Tilgermasse notwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines aktiven Tilgers
kompakt und einfach zu gestalten.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einem aktiven Tilger der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß die
Aktoren am ersten Befestigungsabschnitt über bewegliche Verbindungen
mit der Befestigungsvorrichtung verbunden sind und am zweiten Befestigungsabschnitt über ein
steifes Verbindungselement miteinander gekoppelt sind.
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Der
aktive Tilger ist dadurch sehr steif ausgebildet, so daß die Eigenfrequenz
außer
durch seine Masse prak tisch nur durch die beweglichen Verbindungen
bestimmt wird. Dabei ist die Lage der Aktoren zueinander immer genau
definiert. Wenn die Aktoren gleich aufgebaut sind, wirken sie auch
auf eine betragsmäßig gleiche
Tilgermasse. Dadurch vereinfacht sich die Ansteuerung der Aktoren.
Diese wird durch die Aktormasse und die Masse des Verbindungselements
definiert. Durch diese Ausgestaltung kann eine Schwingungsminderung
in unterschiedliche Bewegungsrichtungen erfolgen, wobei eine gemeinsame
Tilgermasse verwendet wird, ohne daß aufwendige Führungen
zwischen den Aktoren notwendig sind. Dadurch ergibt sich ein besonders
einfacher und kompakter Gesamtaufbau.
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Vorzugsweise
weist jeder Aktor statische und bewegte Elemente auf, wobei der
erste Befestigungsabschnitt an den statischen Elementen und der zweite
Befestigungsabschnitt an den bewegten Elementen angeordnet ist.
Statisch bedeutet dabei ortsfest bezüglich der beweglichen Verbindungen.
Durch diese Ausgestaltung trägt
auch der gerade eine Stellbewegung ausführende Aktor zur Tilgermasse
bei, die dann durch die bewegte Masse des die Stellbewegung ausführenden
Aktors, die Gesamtmasse des nicht angesteuerten Aktors und das Verbindungselement
gebildet wird. Die Masse des aktiven Tilgers, die nicht zur Schwingungsminderung
beiträgt,
wird so minimiert.
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Bevorzugterweise
sind die beweglichen Verbindungen als stoffschlüssige Gelenke ausgebildet, die
in mindestens eine Bewegungsrichtung steif ausgebildet sind und
in die anderen Bewegungsrichtungen Rückstellkräfte erzeugen. Stoffschlüssige Gelenke
stellen wartungs- und spielfreie gelenkige Verbindungen dar, die
kaum Reibung und dabei nur eine geringe Eigendämpfung aufweisen. Während bei passiven
Tilgern das Vorhandensein einer Dämpfung unbedingt erforderlich
ist, wird durch die Eigendämpfung
bei aktiven Tilgern die Regelung erschwert. Daher ist eine Reduzierung
der Eigendämpfung
besonders günstig.
Da die stoffschlüssigen
Gelenke Rückstellkräfte erzeugen,
kann auf zusätzliche
rückstellende
Elemente, wie z.B. Druckfedern, verzichtet werden. Durch die beweglichen
Verbindungen erfolgt also sowohl die Führung als auch die Rückstellung des
aktiven Tilgers.
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Vorzugsweise
ist jede der beweglichen Verbindungen in eine andere Bewegungsrichtung
steif ausgebildet. Über
die beweglichen Verbindungen werden die Kräfte zwischen Tilgermasse und
dem zu dämpfenden
System übertragen.
Dabei erfolgt über jede
bewegliche Verbindung eine Kraftübertragung
in eine andere Richtung.
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Vorzugsweise
sind die beweglichen Verbindungen jeweils in der Bewegungsrichtung
des Aktors steif ausgebildet, mit dem sie verbunden sind. Der Kraftfluß wird dadurch über einen
möglichst
kurzen Weg übertragen.
Dabei werden unnötige
Koppelstellen, die zu Verlusten führen können, vermieden.
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Bevorzugterweise
sind die beweglichen Verbindungen durch Blattfedern gebildet. Blattfedern sind
einfach und günstig
herzustellen, wobei durch die Wahl des Materials und der Abmessungen
eine nahezu beliebige Federrate erzielbar ist. Bezüglich ihrer
Längsachse
lassen Biegefedern kaum eine Bewegung zu. In diese Richtung ist
daher eine direkte, verlustarme Kraftübertragung möglich.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, daß die
beweglichen Verbindungen statisch vorgespannt sind. Durch die statische
Vorspannung kann eine Absenkung der Tilgermasse, die durch die Schwerkraft
hervorgerufen wird, verhindert werden.
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Vorzugsweise
sind die Aktoren als Tauchspulaktoren mit einer Spule und einem
Permanentmagneten ausgebildet. Mit diesen Aktoren lassen sich relativ
große
Verstellwege erreichen.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, daß die
Spule das statische Element und der Permanentmagnet das bewegliche
Element ist. Dadurch wird erreicht, daß die bewegte Masse des Aktors,
die zur Tilgermasse beiträgt,
möglichst
groß ist.
Die zusätzliche Masse,
die durch das Verbindungselement bereitgestellt wird, kann so geringer
ausfallen.
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Vorzugsweise
sind parallel zu den Aktoren Linearführungen angeordnet. Dadurch
wirken auf die Aktoren nur noch Kräfte in deren Bewegungsrichtung.
Anders gerichtete Kräfte
werden von den Linearführungen
aufgenommen. Bei Tauchspulaktoren wird so beispielsweise ein Verkippen
des Permanentmagneten in Bezug zur Spule vermieden, die zu einer Beschädigung des
Aktors oder zu einer Veränderung der
Motorkennlinie führen
kann. Durch die Linearführungen
erhöht
sich also die Lebensdauer der Aktoren bei gleichzeitig verbessertem
Regelverhalten.
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Vorzugsweise
ist die Länge
des Verbindungselements einstellbar. Dadurch läßt sich die Position der Aktoren
zueinander einstellen.
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Vorzugsweise
ist die Masse des Verbindungselements veränderbar. Damit läßt sich
die Eigenfrequenz des aktiven Tilgers nicht nur durch die Auswahl
der beweglichen Verbindungen bzw. Blattfedern beeinflussen, sondern
auch durch die Masse des Verbindungselements. Dies ist besonders
hilfreich bei einer Feinjustage bei schon montiertem Tilger.
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Vorzugsweise
weist die Befestigungsvorrichtung einen runden Querschnitt auf.
Der aktive Tilger kann mit einer derartigen Befestigungsvorrichtung leicht
an Rohren und ähnlichem
befestigt werden. Auf zusätzliche
Verschraubungen kann dabei verzichtet werden.
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Bevorzugterweise
weist die Befestigungsvorrichtung einen vieleckigen, insbesondere
rechteckigen Querschnitt auf. Viele Träger weisen ebenfalls einen
rechteckigen Querschnitt auf, so daß eine Befestigung des aktiven
Tilgers mit Hilfe seiner Befestigungsvorrichtung vorgenommen werden
kann, ohne daß zusätzliche
Mittel notwendig sind.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn der aktive Tilger mindestens einen
Schwingungssensor aufweist, der die Schwingungen des zu dämpfenden Bauteils
ermittelt. Dabei sollten die Schwingungen in den Bewegungsrichtungen
der Aktoren ermittelt werden können.
Mit Hilfe der Sensorsignale läßt sich dann
ein geeignetes Ansteuersignal für
die Aktoren ermitteln, so daß eine
optimale Schwingungsminderung erzielt wird.
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Vorzugsweise
weist der aktive Tilger mindestens einen Sensor auf, der die Schwingungen
des Verbindungsele ments ermittelt. Über die Schwingungen des Verbindungselements
lassen sich Rückschlüsse auf
die Schwingungen des zu dämpfenden Systems
ziehen. Auf das Anbringen eines Sensors auf dem zu dämpfenden
System kann so verzichtet werden.
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Vorzugsweise
weist der aktive Tilger mindestens einen Sensor auf, der die Beziehung
zwischen dem zu dämpfenden
Bauteil und dem Verbindungselement ermittelt. Ein solcher Sensor
kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn sich das zu dämpfende
System zusammen mit dem aktiven Tilger in einem weiteren bewegten
System befindet. Eine Schwingungsminderung erfolgt dann nur bei
einer Bewegung des zu dämpfenden
Systems in Bezug auf den aktiven Tilger. Instabile Zustände werden
so vermieden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen aktiven Tilgers,
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2 den
aktiven Tilger nach 1, ausgelenkt in Y-Richtung,
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3 den
aktiven Tilger nach 1, ausgelenkt in Z-Richtung,
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4 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen aktiven Tilgers und
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5 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen aktiven Tilgers.
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In 1 ist
ein Funktionsprinzip eines aktiven Tilgers 1 dargestellt.
Dieser weist zwei Aktoren 2, 3 auf, die in orthogonal
zueinander stehenden Bewegungsrichtungen wirken. Diese sind über bewegliche Verbindungen 4, 5,
die als Blattfederpaare ausgebildet sind, mit einer kreisförmigen Befestigungsvorrichtung 6 verbunden.
Die Blattfedern 4, 5 sind dabei an ersten Befestigungsabschnitten 11, 12 befestigt.
Jeder Aktor weist statische Elemente 7 und bewegte Elemente 8 auf.
Die bewegten Elemente 8 der Aktoren 2, 3 sind über ein
Verbindungselement 9 miteinander verbunden, das an ihrem
jeweiligen zweiten Befestigungsabschnitt 13, 14 befestigt
ist. Das Verbindungselement 9 weist eine Positionsverstellung 10 auf,
mit der die Position der Aktoren 2, 3 zueinander
verändert
werden kann. Die Aktoren 2, 3 führen eine
lineare Bewegung aus. Dafür
werden sie entlang einer nicht dargestellten Linearführung geführt. Die beweglichen
Verbindungen 4, 5 werden statisch vorgespannt.
Dadurch wird ein statisches Absenken der Aktoren und des Verbindungselements
ausgeglichen, was z.B. durch die Schwerkraft g hervorgerufen werden
kann.
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Führt nun
der Aktor 2 eine lineare Bewegung aus, erfolgt eine Verstellung
des Verbindungselements 9 und des Aktors 3 in
Bezug auf die Befestigungsvorrichtung 6, wie es in 2 dargestellt
ist. Dadurch erfolgt eine Auslenkung der Blattfedern 5. Aufgrund
der Trägheit
der Tilgermasse, die durch den Aktor 3, das Verbindungselement 9 und
den beweglichen Teil 8 des Aktors 2 gebildet wird,
wird durch die Stellbewegung des Aktors 2 eine Kraft hervorgerufen,
die über
die Blattfedern 4 und 5 auf die Befestigungsvorrichtung 6 übertragen
wird. Die Rückstellbewegung
erfolgt aufgrund der Rückstellkräfte der Blattfedern 5,
ohne daß der
Aktor 2 weitere Energie benötigt.
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In 3 ist
nun die entsprechende Lage des Aktors 2 und des Verbindungselements 9 dargestellt, wenn
der Aktor 3 eine Stellbewegung ausführt und der Aktor 2 nicht
angesteuert wird. Dadurch erfolgt eine Auslenkung der Blattfedern 4,
wobei die Kraftübertragung
der Stellkraft des Aktors über
die Blattfedern 4 und 5 erfolgt. Beide Aktoren
können
auch gleichzeitig aktiviert werden, so daß in der Ebene, die durch die
Bewegungsrichtungen der Aktoren aufgespannt wird, eine Schwingungsminderung
in beliebiger Richtung erfolgen kann.
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4 ist
eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen aktiven Tilgers. Dabei
sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie
in den Prinzipdarstellungen. Die Linearführung 20 ist dabei
außerhalb
des eigentlichen Aktors 2, 3 angeordnet. Die Befestigungsvorrichtung 6 wird
im Prinzip aus zwei halbkreisförmigen
Rohrstücken
gebildet, die miteinander verschraubt werden. Damit kann der aktive
Tilger in einfacher Weise auf rohrförmigen Elementen angebracht
werden, die einen entsprechenden Außendurchmesser aufweisen. Die
Positionsverstellung 10 wird mit einer Spindel 15 realisiert,
wobei eine zweite Spindel 16 vorgesehen ist, wodurch eine
Sicherung der Spindelposition der Spindel 15 durch gegenseitiges
Verspannen der Spindeln 15, 16 erfolgt.
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Des
Weiteren sind in 4 beispielhaft mögliche Sensorpositionen
dargestellt. Ein Schwingungssensor 17 ist an der Befestigungsvorrichtung 6 angeordnet,
wobei er auch in diese integriert werden kann. Die Befestigungsvorrichtung 6 wird
direkt mit dem Bauteil verbunden, dessen Schwingungen gemindert werden
sollen.
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Ein
Schwingungssensor 18 ist auf dem Verbindungselement 9 angeordnet.
Dieser erzeugt Ausgangssignale, die zur Verbesserung des Regelverhaltens
des aktiven Tilgers genutzt werden.
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Ein
Sensor 19 ist zwischen der Befestigungsvorrichtung 6 und
dem Verbindungselement 9 angeordnet. Er kann dabei beispielsweise
als Entfernungsmesser ausgebildet sein, der ein Ausgangssignal erzeugt,
das von der Position des Verbindungselements 9 zur Befestigungsvorrichtung 6 abhängig ist.
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Mit
Hilfe der Sensoren 17, 18, 19 werden
Signale erzeugt, die proportional zu den Schwingungen des Bauteils
sind, dessen Schwingung gemindert werden soll. Auf Grundlage dieser
Signale erzeugt eine Steuereinrichtung Ansteuersignale für die Aktoren 2 und 3,
so daß die
Tilgermasse derart phasenversetzt bewegt wird, daß eine Schwingungsminderung
erfolgt. Dabei ist mindestens einer der Sensoren 17, 18, 19 notwendig.
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In 5 ist
der aktive Tilger aus 4 in perspektivischer Darstellung
dargestellt. Als Aktoren 2, 3 sind dabei Tauchspulaktoren
mit Linearführungen 20 verwendet.
Denkbar ist aber auch die Verwendung anderer Linearmotoren, z.B.
Linear-Direktantriebe. Die Tauchspulaktoren weisen einen Permanentmagneten
und eine Spule auf, wobei der Permanentmagnet in Bezug zu den als
Blattfedern ausgebildeten beweglichen Verbindungen 4, 5 bewegt
wird, wenn der entsprechende Aktor 2, 3 angesteuert
wird. Die Blattfedern 4, 5 sind relativ breit
ausgebildet, so daß eine Schwingung
des aktiven Tilgers in X-Richtung verhindert wird. Durch die Ausgestaltung
des Verbindungselements 9 oder durch das Anbringen von
Zusatzmassen läßt sich
die Tilgermasse dem zugrunde liegenden Problem anpassen. Dadurch
kann auf einfache Weise beispielsweise auf Änderungen der Schwingungsfrequenz
des zu dämpfenden
Systems aufgrund von baulichen Veränderungen reagiert werden.
Der größte Teil
des aktiven Tilgers kann dabei unverändert bleiben.