DE102009008075A1

DE102009008075A1 - Dämpfungssystem und Verfahren zum Eliminieren der Torsionschwingungen

Info

Publication number: DE102009008075A1
Application number: DE102009008075A
Authority: DE
Inventors: Carl Udo Dr. Maier; Jochen Ostermaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-12
Also published as: JP2012517563A; CN102308117B; EP2396567A1; US20110319177A1; US8465374B2; WO2010091904A1; CN102308117A; JP5301684B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dämpfungssystem zum Dämpfen der Torsionsschwingungen von Wellen (1) in Maschinen, bei dem - ein Drehmomentsensor (5) zum Erfassen der Torsionsschwingung vorgesehen ist; - wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung (3, 4) zum Erzeugen einer mechanischen Gegenschwingung vorgesehen ist, und - ein Steuermittel vorgesehen ist, welches das Messsignal des Drehmomentsensors (5) zeitlich aufgelöst erfasst und ein phasenverschobenes Signal für eine Gegenschwingung erzeugt und die Aktorvorrichtung (3, 4) antreibt. Es wird ferner mit einem Verfahren zum Eliminieren von Torsionsschwingungen von Wellen (1) in Maschinen mit erfindungsgemäßem Dämpfungssystem: - die Torsionsschwingung (dM) des Drehmomentes (M) der Welle (1) zeitaufgelöst erfasst; - ein phasenverschobenes Signal für eine Gegenschwingung erzeugt, und - eine mechanische Gegenschwingung mithilfe wenigstens einer magnetostriktiven Aktorvorrichtung (3, 4) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dämpfungssystem zum Eliminieren der Torsionsschwingungen, eine Verwendung des Dämpfungssystems und ein Verfahren zum Eliminieren der Torsionsschwingungen mit den in den Oberbegriffen jeweiliger unabhängiger Ansprüche genannten Merkmalen.
An Wellen Kraft umsetzender Maschinen können infolge der Eigenfrequenzen und Resonanzeffekte unerwünschte Torsionsschwingungen auftreten, die einen brummenden Lärm oder Verschleiß oder im ungünstigsten Fall das Versagen des Bauteils oder der Bauteile, die schwingungstechnisch mit der Welle gekoppelt sind, verursachen. Bisher können Torsionsschwingungen mit Zweimassesystemen, die auf den Wellen aufgebracht werden, durch Veränderung der Eigenfrequenz des Systems gedämpft bzw. vermieden werden. Ebenso gibt es Systeme, die Torsionsschwingungen mittels Riemen über eine Riemenscheibe und einem Ausgleichsmassen aufweisenden Nebenaggregat dämpfen. Bei diesen Verfahren wird die Torsionsschwingung über mechanische Einwirkungen gedämpft, wobei die zusätzlichen Massen und Mechanismen das Gewicht von Maschinen und ihre Komplexität erhöhen. Wenn in einem rotierenden mechanischen System durch Zuschalten oder Abschalten von Teilmechanismen die Eigenfrequenz des Systems verändert, muss auch das gekoppelte mechanische Dämpfungssystem dieser Änderung angepasst werden, wodurch die Komplexität des Systems weiter steigt.
Zur Aufgabe der vorliegenden Erfindung gehört es, Mittel und Verfahren zum Beseitigen von Torsionsschwingungen und durch sie verursachter Störeffekte, insbesondere der Schallerzeugung und/oder Vibrationen, anzugeben. Ferner soll es auch mit einfachen Mitteln möglich sein, eine Anpassung an veränderte Schwingungsbedingungen vorzunehmen.
Vorgreifend werden die bekannten zueinander inversen physikalischen Effekte der Magnetostriktion und Magnetoelastizität erklärt, da sie erfindungsgemäß Verwendung finden.
Die Magnetostriktion ist physikalisch eine Deformation ferromagnetischer Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Dabei erfährt der Körper beispielsweise bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung. Legt man an einen Ferromagneten ein äußeres magnetisches Feld an, so richten sich die sogenannten Weiss'schen Bezirke gleichgerichtet aus. Durch das Drehen der Dipole ändert sich die Länge eines Stabes im Bereich von ca. 10 bis 30 μm/m (hochmagnetostriktive Werkstoffe bis 2 mm/m). Ein Ferromagnet wird durch ein magnetisches Wechselfeld zu mechanischen Schwingungen angeregt.
Bei magnetoelastischem Effekt erfolgt in einer zur Magnetostriktion inversen Weise die Ausrichtung der Weiss'schen Bezirke durch mechanische Krafteinwirkung auf ein ferromagnetisches Material, worauf diese eine nach außen veränderte Permeabilität bewirken, die beispielsweise durch eine magnetische Kopplung mit einer Spule messbar ist.
Es wird insbesondere nach einem ersten, vorrichtungstechnischen, Aspekt vorliegender Erfindung ein Dämpfungssystem zum Dämpfen der Torsionsschwingungen von Wellen in Kraft umsetzenden Maschinen vorgeschlagen, das zur Lösung der Aufgabe der Erfindung mit folgenden Mitteln ausgestattet ist:

– einem Drehmomentsensor zum Erfassen der Torsionsschwingung;
– wenigstens einer magnetostriktiven Aktorvorrichtung zum Erzeugen einer mechanischen Gegenschwingung;
– einem Steuermittel, welches das Messsignal des Drehmomentsensors zeitlich aufgelöst erfassen und ein phasenverschobenes Signal für eine Gegenschwingung erzeugen und die Aktorvorrichtung antreiben kann.

Die magnetostriktive Aktorvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine erste elektromagnetische Spule auf, die auf einer, vorzugsweise die Welle umschließenden, Haltervorrichtung angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist die Haltervorrichtung an dem Gehäuse der Maschine verankert. Dadurch werden jedoch höhere Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit der Welle gestellt, damit die Spaltabstände zwischen Aktorvorrichtungen und Welle und Drehmomentsensor und Welle keinen zu großen Schwankungen unterliegen.
Daher ist die Haltervorrichtung in einer weiter entwickelten Ausgestaltung mit dem Gehäuse der Maschine in einer mit der axialen, durch Unwucht und/oder Rundlaufungenauigkeit und/oder Lagertoleranzen und/oder Torsion verursachten Schwenkbewegung der Welle gekoppelten Haltervorrichtung angeordnet, sodass ein voreingestellter Spaltabstand während der Drehung der Welle stets erhalten bleibt. Die Haltervorrichtung folgt hierdurch den Schwenkbewegungen der Welle.
Von einem weiteren Vorteil ist es, wenn die Wirkungsrichtung der wenigstens einen Aktorvorrichtung in Bezug auf die Drehachse der Welle unter einem vorbestimmten Neigungswinkel angeordnet ist, sodass die Wirkrichtung der Aktorvorrichtung möglichst gut mit der Richtung der Torsionsspannungen in Oberflächenbereichen der Welle übereinstimmt.
Der Neigungswinkel der Wirkungsrichtung einer ersten Aktorvorrichtung liegt vorzugsweise zwischen 30 und 60 Grad, bevorzugter zwischen 40 und 50 Grad, noch bevorzugter zwischen 43 und 47 Grad, noch bevorzugter bei 45 Grad liegt, und der Neigungswinkel der Wirkungsrichtung einer zweiten Aktorvorrichtung liegt vorzugsweise zwischen 255 und 285 Grad, bevorzugter zwischen 265 und 275 Grad, noch bevorzugter zwischen 268 und 272 Grad, noch bevorzugter bei 270 Grad in Bezug auf die Wellendrehachse.
Die wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung ist vorzugsweise als eine elektromagnetische Spule, die in einer die Welle umschließenden Haltervorrichtung angeordnet ist, ausgebildet. Die magnetostriktiven Aktorvorrichtungen weisen ferner bevorzugt jeweils eine Vielzahl von elektromagnetischen Spulen auf, die vorzugsweise umlaufend angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der Drehmomentsensor und die wenigstens eine elektromagnetische Spule in einer gemeinsamen oder jeweils in einer separaten die Welle umschließenden Haltervorrichtung angeordnet. Hierdurch ist eine größere Flexibilität in Bezug auf die anwendungsbezogenen Anforderungen ermöglicht.
Diese Flexibilität lässt sich weiter steigern, wenn eine Vielzahl von die Welle umschließenden Haltervorrichtungen zum Erzeugen einer mehrfach verstärkten und koordinierten Gegenschwingung vorgesehen ist.
Weil der magnetostriktive Effekt keine große Wirktiefe besitzt, kann es von besonderem Vorteil sein, das erfindungsgemäße Dämpfungssystem einzusetzen, wenn die Welle anwendungsbedingt als eine Hohlwelle ausgeführt ist.
Das Steuermittel weist ferner bevorzugt einen Regelalgorithmus auf, der in einem offenen oder geschlossenen Regelkreis die eliminierende Dämpfung geregelt erzeugt.
Die wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung ist von der Oberfläche der Welle mit einem vorgegebenen Spalt beabstandet angeordnet. Dadurch kann die erfindungsgemäße Dämpfung berührungslos und somit ohne Verschleiß durch Reibung ausgeführt werden.
Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung die wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung von der benachbarten Aktorvorrichtung mit einem vorgegebenen Abstand beabstandet, sodass die Aktorvorrichtungen einander nicht störend beeinflussen.
Die wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine erste und eine zweite elektromagnetische Spule auf, die für jeweils eine der beiden entgegengesetzten Drehrichtungen bzw. Schwingungsrichtungen der Welle vorgesehen sind, wobei die Wirkungsrichtungen der ersten und zweiten Aktorvorrichtungen im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgebildet sind.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite elektromagnetische Spule der komplementär zueinander wirkenden Aktorvorrichtungen gekreuzt übereinander angeordnet.
Der Drehmomentsensor ist hierbei vorzugsweise nach magnetoelastischem Prinzip ausgebildet, dem zum magnetostriktiven inversen Effekt, kann jedoch auch von einer anderen bekannten Bauweise sein.
Nach einem weiteren Aspekt werden die erfindungsgemäßen Aufgaben durch eine Verwendung des Dämpfungssystems nach einem vorhergehenden Anspruch zur Minderung der Schallentwicklung sowie der Vibrationen infolge der Torsionsschwingungen an Wellen gelöst.
Nach noch einem weiteren, in diesem Fall verfahrenstechnischen Aspekt werden die Aufgaben der Erfindung mit einem Verfahren zum Dämpfen von Torsionsschwingungen von Wellen in Maschinen mit Dämpfungssystem nach einer vorhergehend beschriebenen Ausgestaltung gelöst.
Hierzu werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:

– die Torsionsschwingung des Drehmomentes der Welle zeitaufgelöst erfasst;
– ein phasenverschobenes Signal für eine Gegenschwingung erzeugt, und
– eine mechanische Gegenschwingung mithilfe wenigstens einer magnetostriktiven Aktorvorrichtung erzeugt.

Eine besonders effektive Dämpfung wird dadurch erreicht, dass die erste Aktorvorrichtung während des Schwingungsmaximums der Torsionsschwingung des Drehmomentes bestromt wird und die zweite Aktorvorrichtung während des Schwingungsminimums bestromt wird. Dadurch wird erreicht, dass die erzeugte dämpfende Gegenschwingung jeweils der Richtung der Torsionsspannungen angepasst wird, die ihre Richtung pro Torsionschwingung einmal ändern.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Torsionsschwingungen weitestgehend ausgelöscht werden, sodass beispielsweise eine störende Schallentwicklung oder auch störende Vibration eliminiert werden können. Ferner ist es möglich, auch in stehenden Wellensystemen auftretende Torsionsschwingungen bzw. Vibrationen erfindungsgemäß zu dämpfen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine erste bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems;
2 Querschnitt durch das Dämpfungssystem;
3 eine zweite bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems;
4 eine dritte bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems;
5 ein Signal- und Drehmomentverlaufdiagramm,
6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung des Dämpfungssystems, und
7, 8 eine Darstellung des Verlaufs der Torsionsspannungen während einer überlagerten Torsionsschwingung.
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems 11.
Eine drehbar in Lagern 6 (siehe 6) gelagerte Welle 1 einer Kraft umsetzenden Maschine unterliegt Torsionsschwingungen, die sich insbesondere in den Oberflächenbereichen bemerkbar machen. Die Frequenz dieser Torsionsschwingung ergibt sich aus der Eigenfrequenz des mechanischen Systems.
Erfindungsgemäß ist eine die Welle 1 umschließende Haltervorrichtung 2 insbesondere ringförmig ausgebildet. In vorliegender Ausgestaltung ist auf der zur Wellenoberfläche gewandten Innenseite der Haltervorrichtung 2 ein Drehmomentsensor 5 und eine Vielzahl von magnetostriktiven ersten und zweiten Aktorvorrichtungen 3 und 4 ringsherum um den Wellenumfang angeordnet.
Die ersten Aktorvorrichtungen 3 sind unter einem ersten Neigungswinkel α in Bezug auf die Drehachse der Welle 1 derart angeordnet, dass deren elektromagnetisch erzeugte Kraftwirkung im Wesentlichen mit den bei einer Torsion in Bezug auf die Drehachse der Welle 1 unter 45 Grad verlaufenden Torsionsspannungen übereinstimmt. Deswegen ist der erste Neigungswinkel α bevorzugt 45 Grad, kann jedoch auch zwischen 30 und 50 Grad liegen.
Die zweiten Aktorvorrichtungen 4 sind für eine andere Drehrichtung bzw. Schwingungsrichtung der Welle 1 vorgesehen und sind daher in einem zum ersten Neigungswinkel komplementär ausgebildeten zweiten Neigungswinkel β angeordnet.
Der Drehmomentsensor ist vorzugsweise auch in der gleichen Haltervorrichtung 2 innenseitig angeordnet und ist mit der Oberfläche der Welle 1 berührungslos elektromagnetisch gekoppelt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Drehmoment sensor nach dem zum magnetostriktiven inversen magnetoelastischen Prinzip ausgeführt ist.
Das durch den Drehmomentsensor 5 zeitlich aufgelöst erfasste Messsignal der Torsionsschwingung wird von einer (nicht dargestellten) Steuerung dazu verwendet, ein um 180 Grad phasenverschobenes Steuersignal zur Erzeugung einer Gegenschwingung dM_D zu erzeugen. Das phasenverschobene Steuersignal ist dann von der Steuerung verstärkt und zum Ansteuern der ersten oder der zweiten, je nach Torsionsschwingungsrichtung der Welle 1, Aktorvorrichtungen 3 oder 4 ausgegeben.
Es kann eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Haltervorrichtungen 2, 2' mit magnetostriktiven Aktorvorrichtungen auf einer Welle 1 angeordnet werden, um eine größere Kraftwirkung der Gegenschwingung zu erzeugen.
In anderen (nicht dargestellten) Ausgestaltungen können die Aktorvorrichtungen 3, 4 und der Drehmomentsensor 5 auf separaten Haltervorrichtungen angeordnet sein. Ferner kann in einer weiteren Ausgestaltung auf einer Haltervorrichtung 2 nur eine Vielzahl der ersten Aktorvorrichtungen 3 angeordnet sein. Im letzteren Fall kann eine baugleiche Haltervorrichtung 2 mit Aktorvorrichtungen 3 umgedreht auf der Welle 1 angeordnet werden, sodass durch eine einzige Ausgestaltung beide Torsionsschwingungsrichtungen der Welle 1 abgedeckt sein können, in dem eine Haltervorrichtung linksdrehend und eine zweite baugleiche rechtsdrehend auf der Welle 1 montiert werden.
Die Haltervorrichtung 2 kann in einer Ausgestaltung starr mit dem Gehäuse (nicht dargestellt) der Maschine verbunden sein und mit einem voreingestellten Spaltabstand von der Oberfläche der Welle 1 beabstandet angeordnet sein. Noch vorteilhafter ist es jedoch in einer weiter entwickelten Ausgestaltung die Haltervorrichtung 2 in Bezug auf das Gehäuse 8 der Maschine „schwimmend” bzw. flexibel zu befestigen (siehe 5), sodass die Haltervorrichtung 2 alle Schwenkbewegun gen der Welle 1 infolge von Rundlaufungenauigkeiten, Lagerspiel, Durchbiegungen oder Torsion der Welle einfach mitmacht. In diesem Fall bleibt sowohl der voreingestellte Spaltabstand des Drehmomentsensors 5 als auch der voreingestellte Spaltabstand der magnetostriktiven Aktorvorrichtungen 3, 4 stets beibehalten und folglich sind die Messungen und die gesteuerte Dämpfung der Torsionsschwingungen genauer und effektiver.
Die Haltervorrichtung 2 ist vorzugsweise aus zwei Lagerschalen (nicht dargestellt) ausgebildet, die eine Montage und Demontage der Haltervorrichtung durch eine auflösbare Schraubverbindung ermöglichen.
In 2 ist ein Querschnitt durch das Dämpfungssystem aus 1 dargestellt. Insbesondere zu sehen ist, dass die magnetostriktiven Aktorvorrichtungen 3, 4 auf der Innenseite der Haltervorrichtung 2 ringsherum an dem Umfang der Welle 1 angeordnet sind und mit einem vorgegebenen Spaltabstand von der Wellenoberfläche beabstandet sind, sodass keine Berührung und somit keine Reibung und Verschleiß auftritt.
Die magnetostriktiven Aktorvorrichtungen 3 und 4 sind untereinander vorzugsweise jeweils ausreichend beabstandet, sodass sie keinen gegenseitig störenden Einfluss aufeinander ausüben.
Jede der aktivierten Aktorvorrichtungen 3 oder 4 erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das über den vorgegebenen Abstandspalt in die Oberflächen nahen Bereiche der Welle 1 eindringt und für die Ausrichtung der Dipole der Weiss'schen Bezirke sorgt. Die in einer Richtung ausgerichteten Weiss'schen Bezirke bewirken eine Längenänderung des Oberflächennahen Bereichs der Welle und zwar in beide Richtungen von dem betroffenen Bereich aus. Die erzeugte Gegenschwingung dM_D pflanzt sich daher entlang des Neigungswinkels α oder β um die Welle 1 herum als eine Torsionsschwingung fort, die entgegen der durch Torsionsspannungen erzeugte Torsionsschwingung gerichtet und um 180 Grad phasenverschoben ist.
Die Amplitude und die Frequenz der Gegenschwingung dM_D ist durch Regelung der magnetischen Feldstärke der Aktorvorrichtung/en 3 und/oder 4 in einem offenen oder geschlossenen Regelkreis nach einem Regelalgorithmus proportional zur erfassten Torsionschwingung dM_A regelbar oder steuerbar, sodass eine gute Auslöschungseffizienz der Torsionsschwingungen mit dem Dämpfungssystem und Verfahren erreichbar ist.
Außerdem ist der Drehmomentsensor 5 vorzugsweise über einem Wellenbereich angeordnet, in dem keine Aktorvorrichtung 3, 4 auf die Welle 1 einwirkt, sodass der Drehmomentsensor 5 durch die Wirkung der Aktorvorrichtungen 3, 4 kein verfälschtes Signal erfasst.
In 3 ist eine zweite bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems zu sehen.
In Gegensatz zur Ausgestaltung in 1 sind die entgegen wirkenden magnetostriktiven Aktorvorrichtungen 3 und 4 hierbei übereinander gekreuzt angeordnet. Sie stören einander jeweils nicht, da sie nie gleichzeitig aktiviert werden, sondern jede Gruppenart für jeweils eigene Torsionsschwingungs-Drehrichtung der Welle 1 aktiviert wird. Die Aktorvorrichtungen 3 und 4 unter ihresgleichen sind nach wie vor voneinander ausreichend beabstandet und üben daher keinen störenden Einfluss auf die Funktion benachbarter Aktorvorrichtungen 3 oder 4 aus.
Durch diese gekreuzte bzw. überlappende Anordnung der Aktorvorrichtungen 3 und 4 wird vor allem in der Länge eine kompaktere Bauweise der Haltervorrichtung 2 erreicht, die für einige Anwendungen wegen Platzmangel vorteilhaft ist.
4 zeigt eine dritte bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems.
In dieser Ausgestaltung wird ebenso eine in der Länge kompaktere Bauweise der Haltervorrichtung 2 erreicht, jedoch sind die komplementär wirkenden Aktorvorrichtungen 3 und 4 hierbei nicht übereinander sondern nebeneinander entlang einer Umfanglinie angeordnet.
5 zeigt ein zeitlich aufgelöstes Signal- und Drehmomentverlaufdiagramm.
Einem als konstant angenommenen Antriebsdrehmoment M_A ist eine Torsionsschwingung dM_A überlagert. Eine erfindungsgemäß genau phasenverschoben erzeugte Gegenschwingung dM_D ist außerdem überlagert, sodass die Torsionsschwingung dM_A durch die Gegenschwingung dM_D im Idealfall ausgelöscht wird. Die Erfassung der Torsionsschwingung erfolgt vorzugsweise neben Zeitauflösung auch in der Amplitude, sodass auch die Amplitude der Gegenschwingung steuerbar ist und mit angepasstem Betrag ausgeführt wird.
Die Torsionsschwingung dM_A ist durch eine sinusförmige Schwingung dargestellt, die eine Halbschwingung oberhalb des als konstant angenommenen Antriebsdrehmomentes M_A mit Schwingungsmaximum dM_Amax, und eine Halbschwingung unterhalb des Antriebsdrehmomentes M_A mit Schwingungsminimum dM_Amin aufweist.
Die Torsionsspannungen verlaufen während des Schwingungsmaximums dM_Amax, und Schwingungsminimums dM_Amin in der jeweils anderen zur Wellenachse geneigten Richtung mit den jeweiligen Neigungswinkeln α und β, wie in 1 dargestellt. Es findet eine Drehrichtungsumkehr der Torsionsspannungen statt. Deswegen werden während des Schwingungsmaximums dM_Amax, der Torsionsschwingung erfindungsgemäß nur die Spulen der ersten magnetoelastischen Aktorvorrichtungen 3 und während des Schwingungsminimums dM_Amin der Torsionsschwingung nur die Spulen der zweiten magnetoelastischen Aktorvorrichtungen 4 bestromt.
Das Signal der Gegenschwingung dM_D wird somit auf die ersten und zweiten Aktorvorrichtungen 3 und 4 aufgeteilt. Diese Signalaufteilung ist vorzugsweise symmetrisch auszuführen, d. h. beim Nulldurchgang der Sinusschwingung.
Die bevorzugte Anordnung mit den ersten und zweiten komplementär zueinander ausgerichteten Aktorvorrichtungen 3 und 4 ist daher doppelt so effektiv, als eine Anordnung mit nur einer der beiden Aktorvorrichtungen.
6 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung des Dämpfungssystems 11.
Die Welle 1 ist in zwei Lagern 6, 6 drehbar gelagert. Diese Lager können als Gleitlager, Kugellager oder Rollenlager oder ähnlich ausgeführt sein. An der Welle 1 greift ein Antriebdrehmoment M_A in Drehrichtung an, dem als Reaktionsdrehmoment ein Abtriebsdrehmoment M_R entgegen wirkt, sodass die Welle 1 Torsionsspannungen ausgesetzt ist. Infolge der Eigenfrequenz des mechanischen Wellensystems kommt es zu Torsionsschwingungen, die sich insbesondere verstärkt in den Oberflächen nahen Bereichen der Welle 1 ausbilden und Torsionsspannungen verursachen.
Das ferromagnetische Material der Welle, beispielsweise eine Stahllegierung, erzeugt aufgrund der durch Torsionsspannungen verursachten Materialstauchungen magnetostriktive Änderung der Permeabilität. Die zeitlich aufgelöste Änderung der Permeabilität des Wellenoberflächenmaterials wird durch den magnetoelastisch wirkenden Drehmomentsensor 5 erfasst und an eine (nicht dargestellte) Steuerung übergeben. Die Steuerung kann sowohl außerhalb als auch innerhalb der Haltervorrichtung 2 angeordnet sein.
Die Steuerung erzeugt ein in Bezug zum Erfassten phasenverschobenes Dämpfungs-Signal, das dann verstärkt zum Ansteuern der magnetostriktiven Aktorvorrichtungen 3 oder 4, je nach Drehrichtung der Welle 1, verwendet wird.
Ein flexibles Kabel 12 weist eine ausreichende Länge auf, sodass über ihn die Aktorvorrichtungen 3, 4 und der Drehmomentsensor 5 und evtl. die Steuerung mit Strom versorgt und Signale ausgetauscht werden können.
In vorliegender Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Haltervorrichtung 2 mit Aktorvorrichtungen 3, 4 nicht starr an dem Gehäuse 8 der Maschine befestigt, sondern flexibel aufgehängt.
Ein Übertragungselement 10 ist an zwei Gelenken 7, 7 mit der Haltervorrichtung 2 und mit der Verankerung 9 schwenkbar verbunden. Die Haltervorrichtung 2 erhält dadurch in der senkrecht zur Drehachse der Welle 1 verlaufenden Ebene wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgrade.
Das Übertragungselement 10 kann somit je nach Drehrichtung der Welle 1 sowohl Zug- als auch Druckkräfte auf die Haltervorrichtung 2 übertragen und diese gegen ein Mitdrehen mit der Welle 1 festhalten. Durch die derartige flexible Aufhängung des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems werden die störenden Einflusse durch axiale Ausschwenkungen der Welle 1 auf die Erfassung der Torsionsschwingung und auf die Erzeugung der entgegengerichteten phasenverschobenen Gegenschwingung durch Aktorvorrichtungen ausgeschlossen bzw. stark reduziert.
7 und 8 zeigen eine Darstellung des Verlaufs der Torsionsspannungen 13, 14 während einer dem konstanten Drehmoment M_A überlagerten Torsionsschwingung.
Um die Torsionsschwingung zu verdeutlichen kann die Welle 1 als ruhend angenommen werden. Wenn nun die Welle 1 über eine Abschnittslänge beispielsweise durch die mit der Welle gekoppelte Massen in eine Drehschwingung bzw. Torsionsschwingung versetzt wird, so drehen sich die beiden Enden der Welle 1 in Bezug aufeinander entgegengesetzt und schwingen infolge der Elastizität der Welle 1 hin und her.
Hervorgerufen durch die Torsionsschwingung ändert sich die Drehrichtung der Torsionsschwingung und mit ihr die Ausrichtung der Torsionsspannungen 13 in 7 und 14 in 8 komplementär.
Dreht sich die Welle 1 mit einem konstanten Drehmoment M_A in eine durch Pfeil angezeigte Drehrichtung, so wird die Torsionsschwingung dem Drehmoment M_A überlagert, wobei die zuvor beschriebene Richtungsumkehr der Torsionsschwingungen beibehalten bleibt.
Die jeweils komplementär ausgerichtete Torsionsschwingungen entsprechen in 7 dem in 5 dargestellten Schwingungsmaximum dM_Amax, und in 8 dem Schwingungsminimum dM_Amin der Torsionsschwingung.
Mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungssystem und Verfahren kann nicht nur eine Lärm erzeugende Torsionsschwingung eliminiert, sondern auch Drehmomentschwingungsspitzen entschärft werden, wodurch die Lebensdauer eines Systems verlängert und folglich die Kosten gesenkt werden können.
Die erfindungsgemäße Eliminierung der Torsionsschwingungen passt sich ferner automatisch an geänderte Schwingungsbedingungen, wenn beispielsweise die Eigenfrequenz des mechanischen Systems infolge von Zuschaltung oder Abschaltung von Teilmechanismen ändert. Im Gegenzug übt das erfindungsgemäße Dämpfungssystem keinen oder fast keinen Einfluss auf die Torsinos-Eigenfrequenz des mechanischen Systems aus und zeichnet sich durch ein geringes Gewicht aus.

Claims

Dämpfungssystem (11) zum Eliminieren der Torsionsschwingungen von Wellen (1) in Kraft umsetzenden Maschinen, wobei die Maschine ein Gehäuse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Drehmomentsensor (5) zum Erfassen der Torsionsschwingung (dM_A) vorgesehen ist; – wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung (3, 4) zum Erzeugen einer mechanischen Gegenschwingung (dM_D) vorgesehen ist; – ein Steuermittel vorgesehen ist, welches das Messsignal des Drehmomentsensors (5) zeitlich aufgelöst erfasst und ein phasenverschobenes Signal für eine Gegenschwingung (dM_D) erzeugt und die Aktorvorrichtung (3, 4) antreibt.
Dämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Aktorvorrichtung (5) wenigstens eine erste elektromagnetische Spule (3, 4) aufweist, die auf einer Haltervorrichtung (2) angeordnet ist.
Dämpfungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltervorrichtung (2) an dem Gehäuse der Maschine verankert oder mit dem Gehäuse der Maschine in einer mit der axialen, durch Unwucht und/oder Rundlaufungenauigkeit und/oder Lagertoleranzen und/oder Torsion verursachten Schwenkbewegung der Welle (1) gekoppelten Haltervorrichtung (2) angeordnet ist, sodass ein voreingestellter Spaltabstand während der Drehung der Welle (1) stets erhalten bleibt.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsrichtung der wenigstens einen Aktorvorrichtung (3, 4) in Bezug auf die Drehachse der Welle (1) unter einem vorbestimmten Neigungswinkel (α, β) angeordnet ist, sodass die Wirkungsrichtung der Aktorvorrichtung (3, 4) möglichst gut mit der Richtung der Torsionsspannungen in Oberflächenbereichen der Welle (1) übereinstimmt.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Wirkungsrichtung einer ersten Aktorvorrichtung (3) zwischen 30 und 60 Grad, bevorzugter zwischen 40 und 50 Grad, noch bevorzugter zwischen 43 und 47 Grad, noch bevorzugter bei 45 Grad liegt, und der Neigungswinkel (β) der Wirkungsrichtung einer zweiten Aktorvorrichtung (4) zwischen 255 und 285 Grad, bevorzugter zwischen 265 und 275 Grad, noch bevorzugter zwischen 268 und 272 Grad, noch bevorzugter bei 270 Grad in Bezug auf die Wellendrehachse liegt.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung (3, 4) als eine die Welle (1) umschließende Haltervorrichtung (2) ausgebildet ist.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (5) und die wenigstens eine elektromagnetische Spule (3, 4) in einer gemeinsamen oder jeweils in einer separaten die Welle (1) umschließenden Haltervorrichtung (2) angeordnet sind.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von die Welle (1) umschließenden Haltervorrichtungen (2) zum Erzeugen einer mehrfach verstärkten Gegenschwingung vorgesehen ist.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) eine Hohlwelle ist.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel ein Regelalgorithmus aufweist.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine magnetostrik tive Aktorvorrichtung (3, 4) von der Oberfläche der Welle (1) mit einem vorgegebenen Spalt beabstandet angeordnet ist.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung (3, 4) von der benachbarten Aktorvorrichtung (3, 4) mit einem vorgegebenen Abstand beabstandet ist, sodass die Aktorvorrichtungen (3, 4) einander nicht störend beeinflussen.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine magnetostriktive Aktorvorrichtung (3, 4) wenigstens eine erste und eine zweite elektromagnetische Spule (3, 4) aufweist, die für jeweils eine der beiden entgegengesetzten Drehrichtungen der Welle (1) vorgesehen sind, wobei die Wirkungsrichtungen der ersten und zweiten Aktorvorrichtung (3, 4) im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgebildet sind.
Dämpfungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite elektromagnetische Spulen (3, 4) der komplementär zueinander wirkenden Aktorvorrichtungen (3, 4) gekreuzt übereinander angeordnet sind.
Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (5) nach magnetoelastischem Prinzip ausgebildet ist.
Verwendung des Dämpfungssystems nach einem vorhergehenden Anspruch zur Minderung der Schallentwicklung und/oder der Vibrationen infolge der Torsionsschwingungen an Wellen.
Verfahren zum Eliminieren der Torsionsschwingungen von Wellen (1) in Maschinen mit dem Dämpfungssystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass – die Torsionsschwingung (dM_A) des Drehmomentes (M_A) der Welle (1) zeitaufgelöst erfasst wird; – ein phasenverschobenes Signal für eine Gegenschwingung (dM_D) erzeugt wird, und – eine mechanische Gegenschwingung (dM_D) mithilfe wenigstens einer magnetostriktiven Aktorvorrichtung (3, 4) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aktorvorrichtung (3) während des Schwingungsmaximums (dM_Amax) der Torsionsschwingung (dM_A) des Drehmomentes (M_A) bestromt wird und die zweite Aktorvorrichtung (4) während des Schwingungsminimums (dN_Amin) bestromt wird.