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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur, insbesondere gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 8.
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STAND DER TECHNIK
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In vielen technischen Systemen treten störende Schwingungen von Strukturen auf, die den sicheren und zuverlässigen Betrieb, die Funktion und die Zuverlässigkeit der Struktur stören.
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Zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur sind passive Maßnahmen bekannt, bei denen Dämpfungselemente zum Einsatz kommen. Mit der Verwendung von Dämpfungselementen geht eine deutliche Massenerhöhung einher. Häufig wird die Struktur auch in unerwünschte Weiser versteift. Zudem haben Dämpfungsmaßnahmen ihre maximale Wirkung vielfach nur in einem begrenzten Frequenzbereich.
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Noch stärker ist die Abhängigkeit der Effektivität von der Frequenz bei Schwingungstilgern, d. h. Feder-Masse-Systemen, die zwar bei ihrer Eigenfrequenz extrem hohe Wirksamkeit beim Abmindern von Schwingungen einer Struktur aufweisen, aber nicht in anderen Frequenzbereichen. Dort können sie auftretende Schwingungen sogar verstärken.
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Es sind auch aktive Maßnahmen zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur bekannt, bei denen mit einem Aktuator Gegenkräfte zu den die Schwingungen der Struktur anregenden Kräften hervorgerufen werden bzw. die Struktur zu gegenphasigen Schwingungen zu den bereits vorhandenen Schwingungen angeregt wird, so dass sich durch Interferenz der Kräfte bzw. Schwingungen ein Kräftegleichgewicht bzw. ein Ruhighalten der Struktur ergibt. Diese aktive Abminderung von Schwingungen kann über einen größeren Frequenzbereich erfolgen. Zu ihrer Realisierung ist aber neben dem Aktuator ein Sensor zum Erfassen der Kräfte auf die bzw. Schwingungen der Struktur erforderlich, und es wird eine externe Energiequelle zum Betreiben des Aktuators benötigt.
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Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 8 sind aus der
WO 2008/037487 A1 bekannt. Hier sind ein an der Struktur angeordneter Schwingungssensor, ein an der Struktur angreifender Aktuator und eine den Aktuator in Abhängigkeit von einem Signal des Schwingungssensor ansteuernde Steuerung vorgesehen. Der Schwingungssensor und der Aktuator können mechanisch-elektrische bzw. elektrisch-mechanische Wandler sein. Die Steuerung weist einen elektrischen Schwingkreis auf, der den Verlauf einer Übertragungsfunktion zwischen dem Signal des Schwingungssensors und der Ansteuerung des Aktuators bestimmt. Um die Kopplung der mechanischen Struktur an einen mechanischen Schwingungstilger nachzubilden, steuert die Steuerung den Aktuator mit einer Differenz zwischen einem rückgekoppelten Spannungssignal des elektrischen Schwingkreises und dem an der mechanischen Struktur aufgenommenen Weg proportionalen Spannungssignal an. Diese Ansteuerung erfolgt über einen Leistungsverstärker, der eine Niveauanpassung zwischen dem elektrischen Schwingkreis und dem Aktuator vornimmt und eine Zuführung von elektrischer Energie von außen erfordert. Ansonsten arbeit die Steuerung auf Basis des elektrischen Schwingkreises passiv, d. h. ein wesentlicher Teil der elektrischen Leistung zur Ansteuerung des Aktuators wird in Form von Blindleistung durch den elektrischen Schwingkreis bereitgestellt. Auch wenn die bekannte Vorrichtung sehr sparsam in Bezug auf die von ihr von außen zugeführte elektrische Leistung umgeht, ist die Leistungszufuhr von außen erforderlich.
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Aus der
US 5,005,678 ist es bekannt, ein Element aus einer Formgedächtnislegierung zur Dämpfung einer schwingenden Struktur einzusetzen. Dazu wird zum einen von der hohen inneren Dämpfung bei passiver Verformung des Elements aus der Formgedächtnislegierung Gebrauch gemacht. Zum anderen werden durch Erhitzen des Elements aus der Formgedächtnislegierung bis über seine Übergangstemperatur Kräfte zur aktiven Dämpfung der schwingenden Struktur erzeugt.
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Aus der
EP 1 327 466 A1 ist ein Ski mit einem mechanisch-elektrischen Wandler bekannt, der infolge von Verformungen des Skis elektrische Energie generiert. Diese elektrische Energie wird umgekehrt genutzt, um den Wandler zur aktiven Versteifung des Skis anzusteuern.
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Aus der
DE 10 2007 039 548 B3 ist ein System zur Schwingungsbeeinflussung bekannt, in dem die zum Betreiben eines Aktuartors notwendige Energie vollständig aus der mechanischen Schwingungsenergie eines zu beeinflussenden Objekts gewonnen wird. Dazu dient ein elektromechanischer Wandler, der vorzugsweise als Piezoelement ausgebildet ist. Mit einem semiaktiven System wird die Energie dazu genutzt, die Resonanzfrequenz eines Koppelelements mittels des Aktuators an die zu beeinflussende Schwingung des Objekts anzupassen. Bei einem aktiven System wird die Energie z. B. dazu genutzt, ein Koppelelement mittels des Aktuators aktiv in Schwingung zu versetzen, um darüber Gegenschwingungen in das zu beeinflussende Objekt einzuleiten.
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Aus der
US 6,062,526 A1 ist ein Schwingungsdämpfungssystem bekannt, bei dem die Steifigkeit eines schwingungsübertragenden Elements von einer auf das schwingungsübertragende Element wirkenden Last abhängt. Diese Last wird beispielsweise mittels eines Drahts aus einer Formgedächtnislegierung aufgebracht, der auf unterschiedliche Temperatur eingestellt wird.
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Aus
EP 0 944 040 A1 ist ein Plattenlaufwerk mit austauschbaren Platten bekannt, bei dem ein Schreib-/Lesekopf mittels eines Elements aus einer Formgedächtnislegierung von der jeweiligen Platte weg bewegt wird, damit diese gefahrlos ausgetauscht werden kann. Dazu wird die Temperatur des Elements aus der Formgedächtnislegierung verändert.
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Aus der
US 7,506,735 B2 ist es bekannt, ein Element aus einer Formgedächtnislegierung durch Temperaturänderung auf eine Phasenänderung anzusteuern, um damit kinetische Energie zu verbrauchen. Auf diese Weise soll die Schwingung eines Körpers gedämpft werden.
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Aus der
US 6,290,037 B1 ist bekannt, die Feder eines Schwingungstilgers als Biegebalken auszubilden, der Drähte aus einer Formgedächtnislegierung aufweist. Durch Erhitzen der Drähte aus der Formgedächtnislegierung über deren Übergangstemperatur wird die Steifigkeit des Biegebalkens verändert und dadurch der Schwingungstilger auf eine andere Eigenfrequenz verstimmt. Durch Erhitzen von unterschiedlichen Kombinationen der Drähte aus der Formgedächtnislegierung können so verschiedene Eigenfrequenzen des Schwingungstilgers eingestellt werden.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur aufzuzeigen, die ohne Zuführung von Energie von außen in einem größeren Frequenzbereich zum Abmindern der Schwingungen der Struktur geeignet sind, ohne die Masse der Struktur wesentlich zu erhöhen.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem neuen Verfahren besteht das an der Struktur angreifende und elektrisch angesteuerte Element aus einem Formgedächtnismaterial, das bei Temperaturerhöhung eine Formwandlung durchläuft. Diese Formwandlung wird gezielt verursacht, indem mit der von dem mechanischelektrischen Wandler generierten elektrischen Energie die Temperatur des Elements elektrisch erhöht wird. Dies bedeutet einerseits, dass für die Erhöhung der Temperatur des Elements nur die von dem mechanisch-elektrischen Wandler generierte elektrische Energie verwendet wird und keine Energie von außen zugeführt wird. Zum anderen erfolgt die Energiezuführung gerade dann, wenn Schwingungen der Struktur vorliegen, weil nur dann von dem mechanischelektrischen Wandler elektrische Energie generiert wird. Das Element aus Formgedächtnismaterial wird konkret so eingesetzt, dass die Struktur durch die Formwandlung des Formgedächtnismaterials verstimmt wird. Dies ist gleichbedeutend damit, dass seine Eigenfrequenzen verschoben werden. Damit ändert sich die Übertragungsfunktion zwischen den auf die Struktur einwirkenden Kräften und den hieraus resultierenden Schwingungen der Struktur.
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Da Schwingungen größerer Amplitude insbesondere bei Eigenfrequenzen der Struktur auftreten führt die Formwandlung des Elements dazu, dass diese angeregten Eigenfrequenzen beseitigt bzw. verschoben werden, wodurch die Schwingungen der Struktur aufgrund ihrer eigenen Impedanz praktisch erheblich abgemindert werden.
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Die durch die mechanische Anregung des mechanisch-elektrischen Wandlers generierte elektrische Energie kann vor dem Ansteuern des Elements angesammelt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die von dem mechanisch-elektrischen Wandler generierte elektrische Leistung für eine effektive Veränderung der Temperatur des Elements unzureichend ist. Nach Ansammeln der generierten elektrischen Energie kann aber über einen kürzeren Zeitraum eine größere elektrische Leistung bereitgestellt werden, die für eine Temperaturveränderung bis zur Formwandlung des Elements ausreichend ist.
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Konkret kann die durch die mechanische Anregung des mechanisch-elektrischen Wandlers generierte elektrische Energie durch Aufladen eines Kondensators gesammelt und beim Überschreiten einer Spannung über dem Kondensator zum Ansteuern des Elements freigegeben werden. Dies ist mit passiven elektrischen Bauteilen, insbesondere Dioden, umsetzbar.
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Das Ansammeln der elektrischen Energie von dem mechanisch-elektrischen Wandler kann auch in einem Schwingkreis erfolgen, wobei mit der Eigenfrequenz des Schwingkreises eine Abstimmung des neuen Verfahrens auf eine bestimmte Eigenfrequenz der Struktur vorgenommen werden kann, die dann mit der Formwandlung des Elements aus dem Formgedächtnismaterial gezielt verstimmt wird.
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Vorzugsweise erfolgt das Verstimmen der Eigenfrequenz der Struktur mit Hilfe der Formwandlung des Elements zu höheren Frequenzen hin. Dies entspricht einer Versteifung der Struktur.
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In einer besonders günstigen konkreten Ausführungsform des neuen Verfahrens wird die Temperatur des Elements erhöht, indem direkt durch das Element ein elektrischer Strom geleitet wird und so das Element als Heizwiderstand für seine eigene Temperaturerhöhung dient. Das Element aus Formgedächtnismaterial kann auch zur Ausbildung eines Peltierelements verwendet werden, das das Elements bei einem durch das Element fließenden Strom über die Temperatur hinweg abkühlt, bei der die Formwandlung des Formgedächtnismaterials erfolgt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht das Element, das elektrisch ansteuerbar ist, aus einem Formgedächtnismaterial, das bei Temperaturveränderung, insbesondere bei Temperaturerhöhung, eine Formwandlung durchläuft. Das Element ist dabei in dem Sinne elektrisch ansteuerbar, dass die von dem mechanisch-elektrischen Wandler generierte elektrische Energie die Temperatur des Elements elektrisch verändert, insbesondere erhöht. Die Auswirkung auf die Schwingungen der Struktur wird dadurch erzielt, dass die Formwandlung des Formgedächtnismaterials die Struktur verstimmt.
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Das Formgedächtnismaterial kann ein Formgedächtnis-Polymer sein. Dann ist jedoch in aller Regel eine zusätzliche elektrische Einrichtung für die Temperaturveränderung des Elements erforderlich. Aber auch dann ist das Element – über diese Einrichtung – im Sinne der vorliegenden Erfindung elektrisch ansteuerbar, als das seine Temperatur z. B. durch ohmsche Verluste in der Einrichtung erhöht wird. Wenn das Element jedoch aus einer Formgedächtnislegierung besteht, kann es selbst als Heizwiderstand zur Erhöhung oder zur Ausbildung eines Peltierelements zur Absenkung seiner Temperatur dienen, wie dies bereits im Zusammenhang mit dem neuen Verfahren angesprochen wurde. Dort finden sich auch Erläuterungen zu anderen bevorzugten Ausführungsformen der neuen Vorrichtung.
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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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Die Erfindlung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 skizziert eine erste Ausführungsform der neuen Vorrichtung,
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2 skizziert eine zweite Ausführungsform der neuen Vorrichtung; und
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3 skizziert eine spezielle Ausführungsform einer Ansteuerungseinrichtung für ein elektrisch ansteuerbares Element der neuen Vorrichtung in der Ausführungsform gemäß 1 oder 2.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 skizzierte Aufbau kann der Lagerung eines Lesekopfs 1 eines Festplattenlaufwerks entsprechen. Der Lesekopf 1 ist als Zusatzmasse 2 längs eines Biegebalkens 3 verschiebbar. Der Biegebalken 3 ist an seinem einen Ende 4 starr an eine Basis 5 angebunden.
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An seinem anderen Ende 6 ist der Biegebalken 3 in einem Lager 7 gegenüber der Basis 5 verschieblich gelagert und mit einem Draht 8 aus einer Formgedächtnislegierung 9 gegenüber der Basis 5 verspannt. An dem Biegebalken ist ein mechanisch-elektrischer Wandler 10 angebracht, bei dem es sich insbesondere um einen piezoelektrischen Wandler handelt und der über Leitungen 11 und 12 an eine Einrichtung 13 angeschlossen ist, die basierend auf der von dem Wandler 10 generierten elektrischen Energie den Draht 8 über Leitungen 14 und 15 mit einem Strom beaufschlagt. Dieser Strom führt durch ohmsche Verluste zu einer Erhöhung der Temperatur des Drahts 8, bis der Draht 8 aus der Formgedächtnislegierung 9 seine Formwandlung vollzieht. Hierdurch wird auf den Biegebalken 3 eine axiale Kraft ausgeübt, die seine Eigenfrequenz verstimmt, d. h. zu höheren Frequenzen hin verschiebt. Die mit dem Wandler 10 registrierten Schwingungen, welche typischerweise in den Bereich seiner bisherigen Eigenfrequenz fallen, werden dadurch die sich bei dier Frequenz mit der Verstimmung stark ändernde Impedanz effektiv abgemindert.
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2 skizziert eine 1 bis auf die folgenden Details entsprechend der Anordnung. Hier ist der Biegebalken 3 an seinem Ende 6 mit einer Abwinklung 16 versehen, an der der Draht 8 aus der Formgedächtnislegierung 9 angreift. Der mechanisch-elektrische Wandler 10 ist im Bereich des Lagers 7 vorgesehen, in dem hier keine axiale Verschiebbarkeit des Biegebalkens 3 gegeben ist. Vielmehr wirkt der Draht 8 bei seiner Formwandlung direkt auf die Durchbiegung bzw. die für die Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des Biegebalkens 3 relevante Biegesteifigkeit ein.
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3 skizziert den Aufbau der Einrichtung 13, die den Draht 8 aus Formgedächtnislegierung 9 elektrisch ansteuert. Die Einrichtung 13 umfasst einen Energiespeicher 17 für elektrische Energie, die von dem mechanisch-elektrischen Wandler 10 generiert wird und einen Schalter 18 zum Freigeben der in dem Energiespeicher 17 angesammelten elektrischen Energie an den Draht 8. Auf diese Weise kann dem Draht 8 eine höhere elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden, als wenn er direkt von dem mechanisch-elektrischen Wandler angesteuert würde. Darüber hinaus kann in der Einrichtung 13 falls sinnvoll auch eine Spannungsanpassung zwischen dem Wandler 10 und dem Draht 8 erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lesekopf
- 2
- Zusatzmasse
- 3
- Biegebalken
- 4
- Ende
- 5
- Basis
- 6
- Ende
- 7
- Lagerung
- 8
- Draht
- 9
- Formgedächtnislegierung
- 10
- mechanisch-elektrischer Wandler
- 11
- Leitung
- 12
- Leitung
- 13
- Einrichtung
- 14
- Leitung
- 15
- Leitung
- 16
- Abwinklung
- 17
- Energiespeicher
- 18
- Schalter
