DE102012004808A1

DE102012004808A1 - Vorrichtung zur Beeinflussung der Schwingungsübertragung zwischen zwei Einheiten

Info

Publication number: DE102012004808A1
Application number: DE102012004808A
Authority: DE
Inventors: Andreas Büter; Enrico JANSSEN; Samuel GAISBAUER
Original assignee: HOCHSCHULE DARMSTADT UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: HOCHSCHULE DARMSTADT UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-12
Also published as: US20130233998A1; US9644698B2

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Schwingungsübertragung zwischen zwei Einheiten, von denen eine schwingend (1) und die andere beruhigend (2) gelagert ist, mit einer mittel- oder unmittelbar mit beiden Einheiten (1, 2) verbundenen Parallelschaltung aus wenigstens einem elastisch verformbaren Element (3), dem ein erster Kraftpfad (K1) zugeordnet ist, und wenigstens einem Kraftgenerator, dem ein zum ersten Kraftpfad (K2) parallel orientierter zweiter Kraftpfad (K2) zugeordnet ist und der einen endseitig um eine erste Drehachse (D1), die orthogonal zu beiden Kraftpfaden (K1, K2) orientiert ist, drehbar mit der einen Einheit mittel- oder unmittelbar verbundenen Hebel (4) aufweist, der in einem Abstand r zur ersten Drehachse (D1) drehbar um eine zur ersten Drehachse (D1) parallel orientierte zweite Drehachse (D2) mittel- oder unmittelbar mit der anderen Einheit verbunden ist und der ein Masse (9) belegtes, schwingend gelagertes Hebelarmende (42) vorsieht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Hebelarmbereich (4H) längs des Hebels (4) zwischen einschließlich der zweiten Drehachse (D2) und dem Masse (9) belegten, frei schwingend gelagerten Hebelarmende (42), wenigstens ein, das dem um die zweite Drehachse (D2) drehbar gelagerten Masse (9) belegten Hebelarmende (42) zuordenbares Trägheitsmoment beeinflussendes, aktiv ansteuerbares Element (10) vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Schwingungsübertragung zwischen zwei Einheiten, von denen eine schwingend und die andere beruhigend gelagert ist, mit einer mittel- oder unmittelbar mit beiden Einheiten verbundenen Parallelschaltung aus wenigstens einem elastisch verformbaren Element, dem ein erster Kraftpfad zugeordnet ist, und wenigstens einem Kraftgenerator, dem ein zum ersten Kraftpfad parallel orientierter zweiter Kraftpfad zugeordnet ist und der einen endseitig um eine erste Drehachse, die orthogonal zu beiden Kraftpfaden orientiert ist, drehbar mit der einen Einheit mittel- oder unmittelbar verbundenen Hebelarm aufweist, der in einem Abstand r zur ersten Drehachse drehbar um eine zur ersten Drehachse parallel orientierte zweite Drehachse mittel- oder unmittelbar mit der anderen Einheit verbunden ist und der ein Masse belegtes, frei schwingend gelagertes Hebelarmende vorsieht.
Stand der Technik
Eine vorstehend auch als dynamischer Antiresonanz-Kraftisolator bekannte Vorrichtung ist aus der US 3,322,379 zu entnehmen, und dient zur Schwingungsentkopplung zwischen einer Störschwingungen ausgesetzten Einheit und einer gegenüber den Störschwingungen zu beruhigenden Einheit. Insbesondere vermag die Vorrichtung durch entsprechende Abstimmung auf die Haupterregerfrequenz der die Störschwingungen ausgesetzten Einheit die zu beruhigende Einheit vollständig gegenüber den Störschwingungen zu isolieren. Hierzu bedient sich die Vorrichtung eines mechanisch angetriebenen Pendels als Kraftgenerator, das parallel zu einer elastisch verformbaren Stützfeder zwischen der Störschwingungen ausgesetzten Einheit und der zu beruhigenden Einheit eingebracht ist. Eine derartige bekannte Antiresonanzkraftisolatoranordnung ist zur weiteren Erläuterung in 2 schematisch dargestellt, die eine schwingend gelagerte Einheit 1 gegenüber einer zu beruhigenden Einheit 2 lagert. So sei angenommen, dass die schwingende Einheit 1 eine Grundplatte darstellt, an deren Grundplattenschwerpunkt 1s eine eindimensional bidirektional gerichtete, die Einheit 1 in Schwingungen versetzende Erregerkraft F_e angreift. Aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung sei ein Ein-Freiheitsgrad-System angenommen, bei dem lediglich längs oder parallel zu einer einheitlichen Kraftachse bidirektional orientierte Kraftkomponenten zwischen beiden Einheiten 1, 2 wirken. Zur Schwingungsisolation bzw. Schwingungsminderung ist zwischen der schwingenden Einheit 1 und der zu beruhigenden Einheit 2 eine elastisch verformbare Stützfeder 3 vorgesehen, die einen ersten Kraftpfad K1 bildet, längs dem sowohl statische als auch dynamische Kraftkomponenten übertragen werden. Parallel zur Stützfeder 3 ist zwischen der schwingenden Einheit 1 und der zu beruhigenden Einheit 2 ein als Pendelmechanismus ausgebildeter Kraftisolator vorgesehen, durch den längs eines zweiten Kraftpfades K2, der parallel zum ersten Kraftpfad K1 orientiert ist, durch den Pendelmechanismus herrührende Trägheitskräfte eingeleitet werden. Hierzu sieht der Kraftgenerator einen Hebel 4 vor, dessen ein Hebelarmende 41 drehbar mittels eines Drehlagers 5 um eine orthogonal zu beiden Kraftpfaden K1 und K2 orientierte erste Drehachse D1 gelagert ist. Das Drehlager 5 ist seinerseits über ein Befestigungsmittel 6 fest mit der zu beruhigenden Einheit 2 verbunden. In einem Abstand r zum Drehlager 5 bzw. zur ersten Drehachse D1 ist der Hebel 4 an einem zweiten Drehlager 7 drehbar um eine zweite Drehachse D2 gelagert, die parallel zur ersten Drehachse D1 orientiert ist. Das zweite Drehlager 7 ist über ein Befestigungsmittel 8 fest mit der schwingenden Einheit 1 verbunden. An dem, dem Hebelarmende 41 gegenüberliegenden, frei schwingend gelagerten Hebelarmende 42, das von der ersten Drehachse D1 um die Hebelarmlänge R entfernt ist, ist ein Massekörper 9 angebracht, der bidirektional um die Drehachse D2 schwenkbar gelagert ist und in Abhängigkeit der am Ort des Massekörpers 9 wirkenden Beschleunigung in Auslenkrichtung eine längs des zweiten Kraftpfades K2 wirkende Trägheitskraft F_T erzeugt. Diese längs des zweiten Kraftpfades K2 einleitbare Trägheitskraft F_T gilt es hinsichtlich Betrag, Frequenz und Phase derart zu wählen, dass die längs des zweiten Kraftpfades K2 wirkenden Trägheitskräfte F_T die im Resonanzfall längs des ersten Kraftpfades K1 über die Stützfeder 3 zwischen der resonant schwingenden Einheit 1 und der zu beruhigenden Einheit 2 wirkenden Resonanzkräfte F_res vollständig kompensieren und somit eliminieren. Die Arbeitsweise, die dem als Hebelmechanismus ausgebildeten Kraftgenerator zugrunde liegt, besteht somit darin, dass der Hebelmechanismus trägheitsbedingt im Vergleich zum resonanten Schwingungsverhalten der schwingenden Einheit 1 in eine Antiresonanz versetzt wird, wodurch der dynamische Anteil der Federkraft F_res und die dynamische Kraft, die durch den Kraftresonator aufgrund der Relativbewegung zwischen der schwingenden Einheit 1 und der zu beruhigenden Einheit 2 erzeugt wird, entgegengesetzt gleichstark am Ort des Schwerpunkt 2s der zu beruhigenden Einheit 2 wirken. So liegt eine maximale Schwingungsisolation zwischen der schwingenden Einheit 1 und der zu beruhigenden Einheit 2 bei einer fest vorgegebenen Resonanzfrequenz vor, auf die die Antiresonanzfrequenz des Kraftgenerators durch Einstellen bestimmter, die Kinematik des Hebelmechanismus beschreibenden Parametern festgelegt ist. Hierzu gilt es insbesondere folgende Parameter aufeinander abzustimmen: Masse der zu beruhigenden Einheit 2, Masse des Massekörpers 9, Federsteifigkeit k der wenigstens einen Stützfeder 3, Hebelverhältnis Q_R = R/r, Massenträgheitsmoment J des Hebelarms 4.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Schwingungsübertragung zwischen zwei Einheiten, von denen eine schwingend und die andere beruhigend gelagert ist, mit einer mittel- oder unmittelbar mit beiden Einheiten verbundenen Parallelschaltung aus wenigstens einem elastisch verformbaren Element und wenigstens einem Kraftgenerator, der in der vorstehend beschriebenen Weise als Hebelarmmechanismus ausgebildet ist, derart weiterzubilden, dass das antiresonante Schwingungsverhalten des Kraftgenerators adaptiv an sich ändernde Resonanzeigenschaften des schwingenden Systems angepasst werden kann. Die Einflussnahme auf den Kraftgenerator soll ohne manuellen Eingriff erfolgen und in situ auf Basis einer adaptiven Regelung realisierbar sein. Auf diese Weise soll gewährleistet werden, dass eine Schwingungsisolation im Resonanzfall auch bei sich ändernden Resonanzfrequenzen stets gewährleistet bleibt. Zudem soll für eine zusätzliche Beeinflussung der Schwingungsübertragung bzw. Transmission auch oberhalb der Isolationsfrequenz gesorgt werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Schwingungsübertragung zwischen zwei Einheiten, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weitergebildet, dass in einem Hebelarmbereich längs des Hebels zwischen einschließlich der zweiten Drehachse und dem Masse belegten, schwingend gelagerten Hebelarmende, wenigstens ein, das dem um die zweite Drehachse drehbar gelagerten Masse belegtem Hebelarmende zuordenbares Trägheitsmoment dynamisch beeinflussendes, aktiv ansteuerbares Element vorgesehen ist.
Das Trägheitsmoment und damit verbunden die Schwingungsdynamik des Kraftgenerators wird im Wesentlichen durch die Dimensionierung des Hebelarmes, gemessen von der zweiten Drehachse bis zum Masse belegten Hebelarmende, sowie der Masse, die am Hebelarmende vorgesehen oder angebracht ist, bestimmt. Durch aktorische Einflussnahme auf wenigstens einen der vorstehenden Parameter ist es möglich das Schwingungsverhalten und somit die dynamische Reaktionswirkung des Kraftgenerators auf die seitens der schwingenden Einheit auf den Kraftgenerator einwirkenden Störschwingungen zu beeinflussen.
Im Weiteren werden konkrete Ausführungsbeispiele erläutert, in denen durch aktorische Einflussnahme auf den Kraftgenerator die Antiresonanzfrequenz auf die jeweils aktuelle Erregerfrequenz der zu Isolierenden Schwingung von Seiten der schwingenden Einheit in einem vorgegebenen Frequenzbereich variiert und damit eingestellt werden kann. Durch eine geeignete aktive Regelung des wenigstens einen aktiv ansteuerbaren Elementes, das in Wechselwirkung mit dem Kraftgenerator steht, lässt sich eine stufenlose Anpassung der Antiresonanzfrequenz bzw. der Isolationsfrequenz vornehmen, um auf diese Weise den sich betriebsbedingt ändernden Systemresonanzen wirkungsvoll entgegen zu treten. Selbstverständlich ist die Schwingungsübertragung bzw. die Transmission von Schwingungen von Seiten der schwingenden Einheit auf die zu beruhigende Einheit auch oberhalb der Antiresonanzfrequenz bzw. Isolationsfrequenz in positiver Weise zu beeinflussen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Vorrichtung zur Schwingungsisolation mit einer variabel einstellbaren Antiresonanzfrequenz,
2 passiver Antiresonanz-Kraftisolator nach dem Stand der Technik,
3 bis 7 alternative Ausführungsformen zur Realisierung eines adaptiv einstellbaren Antiresonanz-Kraftisolators sowie
8 bis 10 Illustration verschiedener weiterer Anwendungsfälle.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Allen in lösungsgemäßer Weise ausgebildeten Ausführungsformen für einen adaptiv dynamischen Antiresonanz-Kraftisolator zwischen einer schwingenden und einer zu beruhigenden Einheit liegt ein Kraftgenerator auf Basis des in 2 erläuterten Hebelarmmechanismus zugrunde, dessen trägheitsbedingtes, resonantes Schwingungsverhalten in Bezug auf Amplitude, Frequenz und Phase zur vollständigen Auslöschung der systembedingten Eigenresonanz der schwingenden Einheit derart angepasst ist, dass im Falle der Eigenresonanz der schwingenden Einheit der Hebelmechanismus Gegenschwingungen mit exakt gleicher Frequenz und Amplitude zu den systemischen Eigenschwingungen der schwingenden Einheit generiert, die jedoch um exakt 180° phasenverschoben sind, so dass sich die resonanten Eigenschwingungen der schwingenden Einheit und die seitens des Kraftgenerators erzeugten Schwingungen am Ort, genauer gesagt am Schwerpunkt, der zu beruhigenden Einheit gegenseitig auslöschen.
Um das antiresonante Schwingungsverhalten des als Hebelarmmechanismus ausgebildeten Kraftgenerators auf sich ändernde Resonanzfrequenzen der schwingenden Einheit in situ, d. h. während eines Systembetriebes dynamisch, adaptiv einstellen zu können, sieht der in 1 illustrierte Hebelarmmechanismus längs des Hebelarmes 4H, der einseitig von der zweiten Drehachse D2 und andererseits vom Masse belegten, vorzugsweise frei, schwingenden Hebelarmende 42 begrenzt ist, ein aktiv ansteuerbares Element 10 vor, das bei Aktivierung eine mechanische Druck- oder Zugspannung in den Hebelarm 4H induziert, die den Hebelarm 4H zumindest im Bereich des aktiv ansteuerbaren Elementes 10 deformiert und infolge dessen zumindest das Masse belegte Hebelarmende um die zweite Drehachse D2 derart beeinflusst, dass das Hebelarmende 4H längs relativ zu den Kraftpfaden K1, K2 um einem Betrag a bidirektional beschleunigt und infolgedessen jeweils um einen Wegbetrag w ausgelenkt wird.
Um die Wirksamkeit des wenigstens einen aktiv ansteuerbaren Elementes zu erhöhen, d. h. das aktorische Vermögen den Hebel lokal zu deformieren, ist es vorteilhaft die Strukturfestigkeit des Hebels im Bereich des aktiv ansteuerbaren Elementes lokal zu verringern, bspw. durch lokale Materialdünnung des Hebelmaterials.
Zur Realisierung des aktiv ansteuerbaren Elementes eignen sich grundsätzlich längenveränderliche Wandlermaterialien aufweisende Aktoren, die bspw. aus piezoelektrischen Materialien, magnetostriktiven Materialien und/oder aus Formgedächtnismaterialien gefertigt sind. Derartige Aktoren lassen sich auf die Oberfläche des vorzugsweise aus einem metallischen, einem Faserverbund-Werkstoff, wie bspw. Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Naturfasern verstärkter Werkstoff, oder aus hybrid zusammengesetzten Werkstoffen gefertigten Hebel applizieren. Im Falle von faserverstärkten Materialien, aus denen der Hebel gefertigt ist, eignen sich faserverstärkte Verbundwerkstoffe vor allem mit orthotropen Eigenschaften, die richtungsabhängige Elastizitätseigenschaften haben, jedoch keine Kopplung zwischen Dehnungen und Schubverzerrungen besitzen.
Ebenso bietet es sich an die Aktoren in den Hebel zu integrieren, so dass die Aktoren vor äußeren Einflüssen geschützt sind. Eine integrale Bauform der Sensoren und Aktoren innerhalb der Verbundstruktur ist mit folgenden Vorteilen verbunden:

– Schutz der Sensoren und Aktoren vor Umgebungseinflüssen
– Wegfall von zusätzlichen Befestigungs- und Hausungskonstruktionen für Aktoren und Sensoren sowie damit verbundenem Fertigungs- und Montageaufwand (reduzierte Komplexität)
– Direkte Verformungskopplung von aktivem Element und Struktur sowie
– Modularität, durch Aufbau einer geschlossenen funktionsintegrierten Einheit.

Im Falle der Aktorausbildung in 1 sei angenommen, dass der im Querschnitt rechteckförmig ausgebildete Hebelarm 4H sowohl an dessen Ober- als auch Unterseite, möglichst nahe am Ort der Drehachse D2, ein aktiv ansteuerbares Element, jeweils in Form eines piezoelektrischen, flächig ausgebildeten Aktors 10 vorsieht. Beide Aktoren 10 werden unter Zugrundelegung einer Zielfunktion von einer Steuereinheit 11 in Abhängigkeit des Schwingungszustandes der mit dem Hebelarmende 42 verbundenen Masse 9 angesteuert. Zur Erfassung des Schwingungszustandes des massebelegten Hebelarmendes 42 dient ein Sensor 12, der vorzugsweise als Weg- oder Beschleunigungssensor ausgebildet ist. Ebenso können sensorisch Relativschwingungen zwischen der schwingenden und der zu beruhigenden Einheit erfasst werden, um auf diese Weise Steuersignale für die Ansteuerung der Aktoren zu erhalten.
Grundsätzlich ist es möglich das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Element auch zwischen beiden Drehlagern 5, 7, längs des Hebels 4 anzuordnen, jedoch sei im Weiteren davon ausgegangen, dass die aktiv ansteuerbaren Elemente 10 längs des Hebelarms 4H, möglichst nahe am Ort der Drehachse D2, bzw. des Drehlagers 7 angebracht sind.
Die als flächige Aktoren ausgebildeten aktiv ansteuerbaren Elemente 10 vermögen durch aufeinander abgestimmte Längenänderung den Hebelarm 4H aus dem in 1 dargestellten, geradlinig horizontal verlaufenden Formzustand in einem nach oben, 40 oder nach unten 4u geneigten Formzustand überzuführen, siehe hierzu jeweils die strichliert eingezeichneten Linien 40, 4u.
Für den Fall der nach oben gerichteten Deformation des Hebelarms 4H werden die flächig ausgebildeten Aktoren derart angesteuert, so dass sich der an der Oberseite des Hebelarms 4H applizierte Aktor verkürzt, wohingegen sich der an der Unterseite des Hebelarms 4H angebrachte Aktor verlängert. Auf diese Weise erfährt die Oberfläche an der Oberseite des Hebelarms 4H im Bereich der Aktoren eine die Oberfläche verkleinernde Zugspannung, wohingegen die Unterseite des Hebelarms 4H eine die Oberfläche lokal vergrößernde Druck- bzw. Dehnspannung erfährt. infolgedessen wird der Hebelarm 4H im Bereich der Aktoren zur Ausübung einer vorstehend beschriebenen Aufwärtsbewegung lokal deformiert. Im umgekehrten Fall ist es gleichsam möglich, den Hebelarm 4H nach unten, siehe Position 4u, auszulenken.
Durch die vorstehend beschriebene aktorisch initiierbare Auslenkung des Hebelarms 4H erfährt die am Hebelarmende 42 angeordnete Masse 9 je nach Auslenkbewegung eine um die zweite Drehachse D2 im Sinne einer aus der 1 entnehmbaren nach oben oder nach unten orientierte Beschleunigung. Somit ist es möglich die am Hebelende 42 gelagerte Masse 9, die durch die schwingende Einheit 1 und dem Hebelarmmechanismus zu trägheitsbedingten Schwingungen um die Drehachse D2 angelegt wird, zusätzlich mit geeignet überlagerten Beschleunigungskräften zu beaufschlagen, um auf diese Weise unter anderem eine virtuelle Massenänderung der Masse 9 zu bewirken, durch die das um die zweite Drehachse D2 orientierte Trägheitsmoment der Hebelarmanordnung sowie deren resonantes Schwingungsverhalten und damit verbunden die Antiresonanzfrequenz des Kraftgenerators verändert werden kann.
Die Ansteuerung der Aktoren erfolgt durch die Steuereinheit 11, die auf Basis einer programmgestützten Zielfunktion die Schwingungsisolationswirkung des Hebelmechanismusses zwischen beiden Einheiten 1, 2 vorgibt.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination der vorstehenden Maßnahmen möglich, die zu einem verbesserten Verhalten im kompletten Frequenzbereich führt.
Zur geregelten überlagerten Beschleunigung des Masse belegten Hebelarmendes 42 um die zweite Drehachse D2, wie dies aus 1 zu entnehmen ist, eignen sich weitere, alternative Ausbildungen und Anbringungen aktiv ansteuerbarer Elemente, im oder relativ zum Hebelarm 4H, wie dies aus den weiteren Ausführungsbeispielen zu entnehmen ist. Aus Gründen einer einfacheren weiteren Beschreibung ist lediglich der Hebelarmmechanismus illustriert, der den Hebel 4 umfasst, der an den Drehlagern 5 und 7 jeweils um die erste und zweite Drehachse D1 und D2 drehbar gelagert ist und an dessen Hebelarmende 42 die Masse 9 angebracht ist.
Im Falle der 3 ist zwischen dem Hebelarmende 42 und der Masse 9 ein in seiner Dicke veränderlicher Aktor 10 eingebracht, der bei Aktivierung den Abstand d der Masse 9 relativ zum Hebel 4 vergrößert bzw. verkleinert. In äquivalenter Weise vermag somit der Aktor 10 die Masse 9 um einen Betrag a längs zu den Kraftpfaden nach oben bzw. nach unten zu beschleunigen, wodurch bei geeigneter Aktivierung des Aktors 10 eine virtuelle Massenreduzierung bzw. -zunahme erzielt werden kann, die gleichsam den vorstehenden Ausführungen das Trägheitsmoment des Hebels 4 um die Drehachse D2 und damit verbunden die Antiresonanzfrequenz zu beeinflussen vermag. Typischerweise sind Dickenänderungen von aus piezoelektrischem Material bestehenden Aktoren beschränkt. Um den aktorischen Stellweg insbesondere von piezoelektrischen Aktoren zu vergrößern, eignen sich den Stellweg vergrößernde Getriebeeinheiten bzw. Wegübersetzungsmechanismen, die in Form einer Aktorikeinheit zwischen Hebelarmende 42 und Masse 9 vorgesehen werden können. Derartige Getriebeeinheiten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, bspw. in Form von mechanischen Hebelarmmechanismen, die jedoch nicht Gegenstand der Erfindung sind.
Eine weitere Alternative zur Beschleunigung der am Hebelarmende angebrachten Masse 9 und damit verbunden zur aktiven Einflussnahme auf die Lageänderung der Masse 9 relativ zu den Kraftpfaden K1 und K2, sieht die Nutzung von extern angelegten elektrischen und/oder magnetischen Wechselfeldern vor. In 4 sei angenommen, dass die Masse 9 aus einem permanent magnetischen Werkstoff besteht. Als aktiv ansteuerbares Element 10 dient eine Elektromagnetanordnung mit wechselnder Magnetpolarität, durch die auf die permanentmagnetische Masse 9, je nach magnetischer Polung, nach oben bzw. nach unten auslenkende Magnetkräfte H einwirken. Alternativ ist es möglich anstelle von Magnetkräften H die Masse 9 innerhalb einer Kondensatoreinheit 10 zu lagern, in der ein elektrisches Wechselfeld E appliziert wird, durch die elektrisch anziehende bzw. abstoßende Kräfte die Masse 9 in der vorstehenden Weise bidirektional längs der Kraftpfade K1, K2 zu beschleunigen vermögen.
In 5 ist eine mechanische Lösung zur Erzeugung von die Masse 9 längs der Kraftpfade K1, K2 bidirektional beschleunigenden Kräften illustriert. In diesem Fall ist das Hebelarmende 42 mit einem Unwuchterreger in Form einer motorisch angetriebenen Exzentereinheit 13 verbunden, der Beschleunigungskräfte generiert, die zumindest bidirektional längs der Kraftpfaden K1, K2 orientiert sind.
Sämtliche in den 1, 3, 4 und 5 erläuterten Ausführungsbeispiele enthalten aktiv ansteuerbare Elemente, durch die längs zu den Kraftpfade K1, K2 auf die Masse 9 bidirektional wirkende Beschleunigungskräfte erzeugt werden, wodurch die virtuelle Masse, die für das dynamische Trägheitsmoment des Hebelarms 4H um die Drehachse D2 verantwortlich ist, variiert werden kann.
Eine weitere Möglichkeit zur Einflussnahme auf das um die zweite Drehachse D2 orientierte Trägheitsmoment des Hebelarmes 4H besteht in der Variation der Länge (R–r) des Hebelarmes 4H (siehe hierzu 1). In 6 ist eine Hebelarmanordnung illustriert mit einem Hebelarm 4H, längs dem ein aktiv ansteuerbares Element 10 vorgesehen ist, das den Hebelarm 4H zu verlängern oder zu verkürzen vermag und infolge dessen das Masse belegte Hebelarmende 42 näher oder weiter vom Ort des zweiten Drehlagers D2 positioniert. Eine mögliche Realisierungsform des in 6 vorgeschlagenen aktiven Elementes besteht in der Ausbildung eines Teils des Hebelarmes 4H aus einem aktiv ansteuerbaren, längenveränderlichen Wandlermaterial, bspw. aus piezoelektrischem oder magnetostriktivem Material. Der Vorteil derartiger Materialien besteht in der Nutzung der materialinhärenten Eigenschaft der Formänderung, die eine unmittelbare Umwandlung elektrischer oder magnetischer Energie in Deformationsenergie ermöglicht. Zudem bieten derartige Materialien die Möglichkeit sehr kompakte Bauformen zu realisieren im Vergleich bspw. zu Standardantrieben. Da jedoch die durch die Formänderung hervorgerufene Stellweg- bzw. Längenänderung begrenzt ist, bietet es sich darüber hinaus an, als aktiv ansteuerbare Elemente 10 einen elektromotorisch antreibbare Spindelmechanismen zur Längenänderung des Hebelarms 4H vorzusehen.
Eine weitere Ausführungsform zur Variation der Hebelarmlänge (R–r) besteht in der Möglichkeit, wenigstens ein Befestigungsmittel 8, siehe 7, linearbeweglich quer zum Verlauf der Kraftpfade K1, K2 zu lagern, bspw. mit Hilfe eines motorisch angetriebenen Linearantriebes 10. Auf diese Weise kann der Abstand r zwischen der ersten und zweiten Drehachse D1, D2 und damit die Hebelarmlänge R–r verändert werden.
Die lösungsgemäße Vorrichtung zur Schwingungsisolation zwischen einer schwingenden 1 und einer zu beruhigenden 2 Einheit, Struktur oder Komponente lässt sich vorzugsweise zur Schwingungsminderung zwischen einer Motoreinheit und einer die Motoreinheit abstützenden Tragstruktur einsetzen. Insbesondere in Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen kann die schwingungsisolierende Vorrichtung zur Schwingungsberuhigung der Kraftfahrzeug- oder Schienenfahrzeugkarosserie sowie eines Schiffskörpers oder einer Flugzeugstruktur beitragen. Die schwingungsberuhigenden Maßnahmen tragen nicht nur zum Nutzungskomfort der jeweiligen Fortbewegungsmittel bei, sie erhöhen vor allem auch die Betriebslebensdauer von schwingungsbelasteten Komponenten in signifikanter Weise. Auch ermöglicht die lösungsgemäße schwingungsmindernde bzw. schwingungskompensierende Maßnahme schwingungsbelastete Komponenten weniger massiv auszubilden, zumal die Komponenten geringeren mechanischem Belastungen ausgesetzt werden.
Auch eignet sich die lösungsgemäße Vorrichtung zur Schwingungsminderung wenigstens einer schwingungsempfindlichen Komponente oder Struktur gegenüber einer schwingenden Umgebung, wie beispielsweise eine schwingende Tragstruktur. Derartige Anwendungen finden insbesondere in Präzisionsmesstechniken, in der Mikroskopietechnik, der Chip-Produktionstechnik Einsatz.
In den 8 bis 10 ist eine zusammenfassende Übersicht von jeweils bevorzugten Anwendungs- und Einsatzbeispielen für die lösungsgemäße Vorrichtung zur Beeinflussung der Schwingungsübertragung zwischen zwei Einheften anhand von piktogrammartigen, mechanischen Ersatzschaltbildern wiedergegeben.
8 zeigt den Fall des als aktiv ansteuerbaren Hebelarmmechanismus ausgebildeten Kraftgenerator in Funktion als aktives Lager, das zwischen einer ersten und einer zweiten Einheit 1*, 2* angebracht ist, von denen die erste Einheit 1* ruht, d. h. fest angebunden, und die zweite Einheit 2* gegenüber der ersten Einheit 1* schwingend gelagert ist. Durch geeignete Ansteuerung, bspw. durch zeitlich periodische Ansteuerung des aktiv ansteuerbaren Elementes 10, lassen sich auf beide Einheiten gerichtete Lagerkräfte F1, F2 erzeugen, die aufgrund der schwingenden Lagerung der zweiten Einheit 2* zu deren räumliche bidirektionale Auslenkung führen. Durch ein geeignetes Hebelarmlängenverhältnis kann die auf die zweite Einheit 2* wirkende Lagerkraft F2 größer als die auf die erste Einheit 1* wirkende Lagerkraft F1 gewählt werden. Zudem ist die Steifigkeit c, sowie die dämpfende Wirkung b des aktiven Lagers durch wenigstens ein zwischen beiden Einheiten 1*, 2* angebrachtes, elastisch verformbares Element 3 vorgebbar.
9 zeigt einen Inertialmassenaktor, bei dem die massebelegte schwingend gelagerte Einheit M2* an die zu beeinflussende Struktur 1** frei schwingend gelagert ist und der als Hebelarmmechanismus ausgebildete Kraftgenerator derart in Wechselwirkung steht, so dass schwingungsauslösende Kräfte F_IMA über den aktiv ansteuerbaren Hebelmechanismus in die schwingend gelagerte Einheit 1** einwirken. Auch in diesem Fall lassen sich die Steifigkeit c sowie die dämpfende Wirkung b durch wenigstens ein zwischen beiden Einheiten M2*, 1** angebrachtes, elastisch verformbares Element 3 vorgeben.
10 zeigt den Fall eines adaptiven Tilgers, dessen Aufgabe es ist, aus einem schwingenden System 2 Schwingungsenergie zu entziehen und diese vorzugsweise in eine andere Energieform umzuwandeln, vorzugsweise zu dissipieren. Hierzu ist die zu beruhigende Einheit 2 über wenigstens ein elastisch verformbares Element 3* mit einem schwingenden System 14 verbunden, das somit das System 2 zu unerwünschten Schwingungen anregt. Die zu beruhigende Einheit 2 ist über den aktiv ansteuerbaren Hebelmechanismus mit einer freischwingend gelagerten Einheit M2* verbunden. Mit Hilfe des aktiv ansteuerbaren Elementes 10 längs des Hebelarmes 4H ist das resonante Schwingungsverhalten des Hebelarmmechanismus gerade so einzustellen, dass eine maximale Schwingungsanregung der Masse M2* durch das schwingende System 2 erfolgt, wodurch dem schwingenden System 2 ein Maximum an Schwingungsenergie entzogen wird. Auch in diesem Fall lassen sich die Steifigkeit c sowie die dämpfende Wirkung b des Hebelarmmechanismus durch wenigstens ein zwischen beiden Einheiten 2, M2* angebrachtes, elastisch verformbares Element 3 vorgeben.
Bezugszeichenliste

1: schwingende Einheit
2: zu beruhigende Einheit
3: elastisch verformbares Element, Abstützfeder
4: Hebel
4H: Hebelarm
41: Hebelarmende
42: massebelegtes Hebelarmende
5: erstes Drehlager
6: Befestigungsmittel
7: zweites Drehlager
8: Befestigungsmittel
9: Masse
10: aktiv ansteuerbares Element
11: Steuereinheit
12: Sensor
13: Unwuchterreger
14: schwingendes System
K1, K2: Kraftpfad
r: Abstand zwischen erster und zweiter Drehachse
R: Länge des Hebels 4
1s: Schwerpunkt der schwingenden Einheit
2s: Schwerpunkt der zu beruhigenden Einheit
F: Kraft erzeugt durch den Kraftgenerator
3*: elastisch verformbares Element
2*: Schwingend gelagerte Einheit
1*: Ruhende, fest angebundene Einheit
1**: Zu beeinflussende Struktur
c: Steifigkeit des elastisch verformbaren Elementes 3
d: Dämpfung des elastisch verformbaren Elementes 3
F1: Lagerkraft erzeugt durch das aktiv ansteuerbare Element 10 eingeleitet über das Befestigungsmittel 8
F2: Lagerkraft erzeugt durch das aktiv ansteuerbare Element 10 eingeleitet über das Befestigungsmittel 6
F_IMA: Kraft Inertialmassenaktor
M2*: massebelegte schwingend gelagerte Einheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3322379 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Beeinflussung der Schwingungsübertragung zwischen zwei Einheiten, von denen eine schwingend (1) und die andere beruhigend (2) gelagert ist, mit einer mittel- oder unmittelbar mit beiden Einheiten (1, 2) verbundenen Parallelschaltung aus wenigstens einem elastisch verformbaren Element (3), dem ein erster Kraftpfad (K1) zugeordnet ist, und wenigstens einem Kraftgenerator, dem ein zum ersten Kraftpfad (K2) parallel orientierter zweiter Kraftpfad (K2) zugeordnet ist und der einen endseitig um eine erste Drehachse (D1), die orthogonal zu beiden Kraftpfaden (K1, K2) orientiert ist, drehbar mit der einen Einheit mittel- oder unmittelbar verbundenen Hebel (4) aufweist, der in einem Abstand r zur ersten Drehachse (D1) drehbar um eine zur ersten Drehachse (D1) parallel orientierte zweite Drehachse (D2) mittel- oder unmittelbar mit der anderen Einheit verbunden ist und der ein Masse (9) belegtes, schwingend gelagertes Hebelarmende (42) vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hebelarmbereich (4H) längs des Hebels (4) zwischen einschließlich der zweiten Drehachse (D2) und dem Masse (9) belegten, schwingend gelagerten Hebelarmende (42), wenigstens ein, das dem um die zweite Drehachse (D2) drehbar gelagerten Masse (9) belegten Hebelarmende (42) zuordenbares Trägheitsmoment beeinflussendes, aktiv ansteuerbares Element (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Element (10) an dem Hebelarm (4H) appliziert oder in dem Hebelarm (4H) integriert und derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Aktivierung des Elementes (10) eine mechanische Druck- oder Zugspannung in den Hebelarm (4H) induzierbar ist, die den Hebelarm (4H) zumindest im Bereich des aktiv ansteuerbaren Elementes (10) deformiert und infolgedessen zumindest das Masse (9) belegte Hebelarmende (42) um die zweite Drehachse (D2) um einen Betrag ±a winkelbeschleunigt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv ansteuerbare Element (10) das Masse (9) belegte Hebelarmende (42) längs relativ zu den Kraftpfaden (K1, K2) bidirektional beschleunigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Element (10) kontaktfrei zum Hebelarm (4H) und längs des Hebelarmes (4H) angeordnet ist und bei Aktivierung ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld generiert, das mit dem Hebelarm (4H) und/oder dem Masse (9) belegten Hebelarmende (42) in Wechselwirkung tritt und infolgedessen zumindest das Masse (9) belegte Hebelarmende (42) um die zweite Drehachse (D2) um einen Betrag ±a winkelbeschleunigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Aktivierung des Elementes (10) das Masse belegte Hebelarmende längs relativ zu den Kraftpfaden (K1, K2) jeweils um einen Betrag +/–a bidirektional beschleunigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Masse (9) belegten Hebelarmende (42) wenigstens ein Massekörper (9) im Bereich des Hebelarmendes (42) appliziert ist, und dass zwischen dem Hebelarmende (42) und dem Massekörper (9) das aktiv ansteuerbare Element (10) derart vorgesehen ist, so dass bei Aktivierung des aktiv ansteuerbaren Elementes (10) der Massekörper (9) relativ zum Hebelarm (4H) und längs zu den Kraftpfaden (K1, K2) beschleunigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Element (10) den Hebelarm (4H) verlängert oder verkürzt und infolgedessen zumindest das Masse (9) belegte Hebelarmende (42) näher oder weiter vom Ort des zweiten Drehlagers (D2) positioniert.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv ansteuerbare Element (10) Teil des Hebelarmes (4H) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Element (10) den Abstand r zwischen der ersten und zweiten Drehachse (D1, D2) ändert, durch Lageänderung der zweiten Drehachse (D2) relativ zur anderen Einheit.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein der zweiten Drehachse (D2) zuordenbares Drehlager (7), in dem der Hebelarm (4H) drehbar gelagert ist, über ein Befestigungsmittel (6) mit der anderen Einheit in Wirkverbindung steht, und dass das Befestigungsmittel (6) vermittels des wenigstens einen aktiv ansteuerbaren Elementes (10) relativ zur anderen Einheit linearbewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv ansteuerbare Element (10) aus einem elektromotorisch antreibbaren Spindelmechanismus besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv ansteuerbare Element (10) aus einem längenveränderlichen Wandlermaterial besteht, das aus der Gruppe der nachfolgenden Materialentypen auswählbar ist: piezoelektrisches Material, magnetostriktives Material, Formgedächtnismaterial.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Masse belegten Hebelarmende (42) ein aktiv ansteuerbares Element (10) in Form eines motorisch angetriebenen Unwuchterregers vorgesehen ist, der Beschleunigungskräfte generiert, die zumindest bidirektional längs der Kraftpfade (K1, K2) orientiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (12) vorgesehen ist, der den Schwingungszustand des Massebelegten Hebelarmendes (42) und/oder Relativbewegungen zwischen den schwingend und der beruhigend gelagerten Einheiten erfasst, dass der Sensor Sensorsignale erzeugt, die drahtlos oder drahtgebunden einer Steuer- und Auswerteeinheit (11) zuführbar sind, die unter Zugrundelegung einer Zielfunktion Steuersignale zur Ansteuerung des wenigstens einen aktiv ansteuerbaren Elementes (10) generiert.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 wenigstens zur Schwingungsminderung wenigstens einer Motoreinheit gegenüber einer die Motoreinheit abstützenden Tragstruktur.
Verwendung nach Anspruch 15, in Land-, Wasser- oder Luft-Fahrzeugen, in denen die Tragstruktur als Kraftfahrzeug- oder Schienenfahrzeugkarosserie, Schiffskörper oder Flugzeugstruktur ausgebildet ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 wenigstens zur Schwingungsminderung wenigstens einer schwingungsempfindlichen Komponente oder Struktur gegenüber einer schwingenden Tragstruktur.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als aktives Lager, bei dem der Kraftgenerator vermittels des aktiv ansteuerbaren Elementes Schwingungen und/oder schwingungsauslösende Kraftmomente in die schwingend gelagerte Einheit einkoppelt, wobei die zu beruhigende Einheit fest angebunden ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Inertialmassenerreger, bei dem die schwingend gelagerte Einheit an eine schwingende Struktur angebunden und die zu beruhigende Einheit frei schwingend gelagert ist und der Kraftgenerator mit einer der zu beruhigenden Einheit (2) zuordenbaren trägen Masse derart in Wechselwirkung steht, dass schwingungsauslösende Kraftmomente in die schwingend gelagerte Einheit einwirken.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als adaptiver Tilger, bei dem die zu beruhigende Einheit an eine schwingende Struktur angeschlossen wird, die schwingende gelagerte Einheit als Tilgermasse und das wenigstens eine elastisch verformbare Element als Tilgerfeder dient, wobei zur Einstellung von Dämpfung oder Eigenfrequenz des Tilgers das aktiv ansteuerbare Element aktivierbar ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als aktives Schwingungsisolationssystem, bei dem über das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Element eine Dämpfung oder eine aktive Entdämpfung erreicht oder die Eigenfrequenz des aktiven Isolationssystems einstellbar ist.