DE102022110201A1 - Vibration damper - Google Patents

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    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00Vibration-dampers; Shock-absorbers
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Abstract

Schwingungsdämpfer mit frequenzabhängiger Regelung auf einem mechanischen System (1, 2), umfassend Dämpfungsmittel (5) zwischen dem mechanischen System (1, 2) und einer Dämpfermasse (3), wobei die Dämpfungsmittel eine auf dem mechanischen System befestigten Reibungskupplung mit mindestens einer auf die Dämpfermasse wirkende Reibfläche (12) umfassen, wobei die Anpresskraft zwischen der mindestens einen Reibfläche und der Dämpfermasse in ihrer Kraftstärke einstellbar und/ oder regelbar ist.Vibration damper with frequency-dependent control on a mechanical system (1, 2), comprising damping means (5) between the mechanical system (1, 2) and a damper mass (3), the damping means being a friction clutch mounted on the mechanical system with at least one on the Damper mass acting friction surface (12), wherein the contact pressure between the at least one friction surface and the damper mass can be adjusted and / or regulated in its strength.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer mit frequenzabhängiger Regelung auf einem mechanischen System gemäß dem ersten Patentanspruch.The invention relates to a vibration damper with frequency-dependent control on a mechanical system according to the first claim.

Schwingungsdämpfer der eingangs genannten Art sind Schwingungstilger. Sie bestehen in der Regel aus einer Dämpfermasse, die über ein Federelement und ein Dämpferelement mit dem mechanischen System verbunden ist und von diesem mit einer Schwingungsamplitude beaufschlagt wird. Sie dienen der Reduzierung von Schwingungsamplituden insbesondere bei Resonanzen in mechanischen Systemen. Bei mechanischen schwingenden Systemen mit Schwingungsdämpfer reduziert sich damit der Auslegungsaufwand für Resonanzschwingungen. Dies führt letztendlich zu leichten und effizienten Maschinen. Diese Maschinen wiederum führen zu einer besseren Produktqualität und finanziellen Ersparnissen. Weiterhin bewirken effektive Dämpfer eine höhere Lebensdauer und eine geringere Ausfallzeit in Maschinen, was letztendlich auch finanzielle Ersparnisse mit sich bringt.Vibration dampers of the type mentioned at the beginning are vibration absorbers. They usually consist of a damper mass that is connected to the mechanical system via a spring element and a damper element and is subjected to a vibration amplitude by this system. They serve to reduce vibration amplitudes, especially in the case of resonances in mechanical systems. In mechanical vibrating systems with vibration dampers, the design effort for resonance vibrations is reduced. This ultimately leads to light and efficient machines. These machines, in turn, lead to better product quality and financial savings. Furthermore, effective dampers ensure a longer service life and less downtime in machines, which ultimately also results in financial savings.

Die Resonanzfrequenz Q eines Schwingungstilgers errechnet sich für geringe Dämpfung zu Ω = c/m

Figure DE102022110201A1_0001
(c = Federsteifigkeit, m = Dämpfermasse). Eine wirksame Tilgung von Schwingungsamplituden in einem mechanischen System wird dann erzielt, wenn die Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers gleich der Erregerfrequenz des mechanischen Systems gewählt und die Dämpfung d so klein wie möglich gehalten wird. Dies führt zu den geringsten Amplituden in einem Bereich, in dem die Resonanzfrequenz des Tilgers angepasst werden kann. Außerhalb dieses Bereiches ist die Wirksamkeit des Schwingungstilgers jedoch begrenzt.The resonance frequency Q of a vibration absorber is calculated for low damping Ω = cm
Figure DE102022110201A1_0001
(c = spring stiffness, m = damper mass). Effective cancellation of vibration amplitudes in a mechanical system is achieved when the resonance frequency of the vibration absorber is chosen to be equal to the excitation frequency of the mechanical system and the damping d is kept as small as possible. This leads to the lowest amplitudes in a range in which the resonance frequency of the absorber can be adjusted. However, outside this range, the effectiveness of the vibration absorber is limited.

[10] offenbart beispielhaft einen solchen Grundaufbau für ein Schwingungstilgerkonzept mit Federelement, Dämfermasse und Reibungskupplung. Die Einstellung der Komponenten des Tilgers werden im Betrieb nicht verändert.[10] discloses an example of such a basic structure for a vibration absorber concept with a spring element, damper mass and friction clutch. The settings of the absorber components are not changed during operation.

Eine Anpassung eines Schwingungstilgers an ein mechanisches System erfolgt über eine Erkennung der Betriebsfrequenzen (Frequenzidentifizierung) des Systems und eine anschließende Parametereinstellung, insbesondere der Federsteifigkeit des Schwingungstilgers.A vibration absorber is adapted to a mechanical system by detecting the operating frequencies (frequency identification) of the system and then setting parameters, in particular the spring stiffness of the vibration absorber.

Eine Frequenzidentifizierung kann auf mehreren Wegen erfolgen:

  • - mittels einer Fourier Transformationen (vgl. [1]):
    • Hierbei wird die Erregerfrequenz durch die Messung von Systemzuständen und die Fast Fourier Transformation (FFT) identifiziert. Die Frequenzen der FFT-Peaks werden erkannt und aus diesen Frequenzen wird die entsprechende Resonanzfrequenz durch eine hinterlegte Logik ermittelt.
  • - über eine Erfassung eines Abstands zwischen den Nulldurchgängen einer Schwingung (vgl. [2]):
    • Die Erregerfrequenz wird durch eine Messung der Zeit zwischen den Nulldurchgängen eines Systemzustandes erfasst. Die ermittelte Resonanzfrequenz ist durch den Zusammenhang Ωid = 1/(2Δt) gegeben, worin Δt der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgenden Nulldurchgängen darstellt.
Frequency identification can be done in several ways:
  • - using a Fourier transformation (see [1]):
    • The excitation frequency is identified by measuring system states and the Fast Fourier Transformation (FFT). The frequencies of the FFT peaks are recognized and the corresponding resonance frequency is determined from these frequencies using stored logic.
  • - via recording a distance between the zero crossings of an oscillation (see [2]):
    • The excitation frequency is recorded by measuring the time between zero crossings of a system state. The determined resonance frequency is given by the relationship Ω id = 1/(2Δt), where Δt represents the time interval between two successive zero crossings.

Beide Ansätze sind adaptiven Regelungsmethoden, bei denen über eine zusätzliche gemessene Größe Information über den Zustand des Systems gewonnen und mit diesen die Parameter des Reglers geändert werden, in den vorliegenden Ansätzen die Steifigkeit des Tilgers. Die Ansätze unterscheiden sich in der Art und Weise, wie die Information aus der Messung verarbeitet wird.Both approaches are adaptive control methods in which information about the state of the system is obtained via an additional measured variable and the parameters of the controller are changed with this, in the present approaches the stiffness of the absorber. The approaches differ in the way the information from the measurement is processed.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik sind für eine Verstellung der Komponenteneigenschaften eines Tilgers im Betrieb folgende Ansätze bekannt:

  • - Arbeitspunktabhängige Verstärkungsmethode (gain scheduling): Diese Methode stellt eine Erweiterung einer klassischen Regelung mit zusätzlich einfließenden Information dar. [3] und [4] beschreiben hierzu Konzepte, die sich auf eine Messung gleich mehrerer Signale (Fußpunkt und den jeweiligen Schwingkörper m1 oder m2 in [3], Phasendifferenz aus der Geschwindigkeit eines Servomotors und einem Lenkmoment in [4]) in und die Bestimmung eines entsprechenden Phasenversatzes (zwischen Erreger- und Antwortsignal) stützen. Aus dem entsprechenden Phasenversatz werden die einzustellenden Parameter (Resonanzeigenschaften eines Feder-Masse-Systems bis die Tilgung maximal ist, [3] sowie Regelparameter einer Regeleinheit, [4]) ermittelt. In [3] werden dabei die Resonanzeigenschaften eines Feder-Masse-Systems so eingestellt, dass die Wirkung der Tilgung maximal wird. Abweichend hierzu werden in [4] die gewonnenen Informationen aus dem Phasenunterschied herangezogen, um Schwingungen in einer Servolenkung zu reduzieren.
  • - Störgrößenaufschaltungsmethode:
    • Bei einer Störgrößenaufschaltung wird zunächst die Störung am System erfasst und daraus die entsprechenden Stellgrößen berechnet. Störgrößenaufschaltungsmethoden ist die Realisierung einer Steuerung mit einem invertierenden Vorfilter. Ein bekanntes Beispiel hierzu stellen bekannte Techniken zur Rauschunterdrückung in Kopfhörern dar (active noise cancelling). Beispielsweise wird in [5] diese Technik zur Schwingungsminderung in Papiermaschinen vorgeschlagen. [6] offenbart beispielhaft eine Störgrößenaufschaltung, um die Körperschallschwingungen eines Körpers zu absorbieren. Dies wird durch ein Koppelelement innerhalb einer elektrischen Spule umgesetzt. Das Koppelelement in der Spule dient als Sensor und Aktor in einem und führt zu geringem Bauraumbedarf.
Based on the aforementioned prior art, the following approaches are known for adjusting the component properties of an absorber during operation:
  • - Operating point-dependent amplification method (gain scheduling): This method represents an extension of a classic control with additional information. [3] and [4] describe concepts that relate to the measurement of several signals (base point and the respective oscillating body m1 or m2 in [3], phase difference between the speed of a servo motor and a steering torque in [4]) in and the determination of a corresponding phase offset (between the excitation and response signals). The parameters to be set (resonance properties of a spring-mass system until the cancellation is maximum, [3] and control parameters of a control unit, [4]) are determined from the corresponding phase offset. In [3] the resonance properties of a spring-mass system are adjusted so that the effect of the cancellation is maximized. In contrast to this, in [4] the information obtained from the phase difference is used to reduce vibrations in a power steering system.
  • - Disturbance input method:
    • When a disturbance variable is applied, the disturbance in the system is first detected and then the corresponding manipulated variables are calculated. Disturbance input methods are the implementation of a control system with an inverting pre-filter. A well-known example of this is known techniques for noise suppression in headphones (active noise canceling). For example, this technique for reducing vibration in paper machines is proposed in [5]. [6] discloses an example of a disturbance variable feed-in to absorb the structure-borne sound vibrations of a body. This is implemented by a coupling element within an electrical coil. The coupling element in the coil serves as a sensor and actuator in one and requires little installation space.

Weiterhin offenbart [7] Untersuchungen zur Dynamik eines Tilgermodells mit trocken reibender Dämpfung an einer Dämpfermasse .Furthermore, [7] discloses investigations into the dynamics of a damper model with dry friction damping on a damper mass.

[8] beschreibt ferner einen trockenen Lock-Up Dämpfer und vorgespannte trocken reibende Tilgermassen. Diese Systeme basieren auf trockener Reibung und nutzen die Haft-Gleit-Eigenschaften aus, um Schwingungen in einem System zu reduzieren. In einer Modellbetrachtung wird das zu dämpfende mechanische System durch eine gegenüber der Umgebung gefedert aufgehängte Masse dargestellt. An diesem System wird der Tilger angesetzt. Ein Lock-Up Dämpfer umfasst dabei eine trockene Reibstelle, eine Feder und einer Dämpfermasse. Die Bewegungsgleichung dieser Systeme, sowie numerische Parameterstudien und analytische Lösungen via Mittelwertbildungsverfahren werden vorgestellt. Anschließend werden die Dämpfungsmechanismen in transienten Simulationen verglichen. Der Reibungstilger besteht aus einer zwischen zwei Keilen, mit dem Keilwinkel, vorgespannten Dämpfermasse. Die an den Keilen wirkende Vorspannkraft wird durch eine Feder hervorgerufen.[8] also describes a dry lock-up damper and preloaded dry friction absorber masses. These systems are based on dry friction and exploit the stick-slip properties to reduce vibrations in a system. In a model view, the mechanical system to be damped is represented by a mass suspended relative to the environment. The absorber is attached to this system. A lock-up damper includes a dry friction point, a spring and a damper mass. The equation of motion of these systems, as well as numerical parameter studies and analytical solutions via averaging methods are presented. The damping mechanisms are then compared in transient simulations. The friction absorber consists of a damper mass pre-stressed between two wedges at the wedge angle. The preload force acting on the wedges is caused by a spring.

Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Schwingungsdämpfer der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass er geeignet ist auftretende Schwingungsamplituden mit hoher Energieeffizienz mittels minimaler Dissipation zu reduzieren.Proceeding from this, one object of the invention is to design a vibration damper of the type mentioned in such a way that it is suitable for reducing vibration amplitudes that occur with high energy efficiency by means of minimal dissipation.

Davon ausgehend ist man bestrebt, einen Schwingungsdämpfer vorzuschlagen, der sich durch eine frequenz- und amplitudenabhängige Regelung auszeichnet.Based on this, efforts are being made to propose a vibration damper that is characterized by frequency and amplitude-dependent control.

Die Aufgaben werden mit einem Schwingungsdämpfer mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche, die sich auf diese beziehen, geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.The tasks are solved with a vibration damper with the features of the first patent claim. Subclaims that relate to these represent advantageous embodiments.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Schwingungsdämpfer mit frequenzabhängiger Regelung auf einem mechanischen System vorgeschlagen. Der Schwingungsdämpfer umfasst eine Dämpfermasse, die über Dämpfungsmittel mit dem mechanischen System verbunden sind. Vorzugsweise ist auch ein primäres Federelement zwischen dem mechanischen System und der Dämpfermasse eingesetzt, vorzugsweise zu den Dämpfungsmitteln parallel zueinander verschaltet. Das mechanische System wird vorzugsweise und im Rahmen einer Modellbetrachtung durch eine zu beruhigende Masse gebildet, dass gegenüber der Umgebung über eine mechanische Feder elastisch und damit schwingungsfähig aufgehängt ist.To solve the problem, a vibration damper with frequency-dependent control on a mechanical system is proposed. The vibration damper includes a damper mass that is connected to the mechanical system via damping means. Preferably, a primary spring element is also inserted between the mechanical system and the damper mass, preferably connected in parallel to the damping means. The mechanical system is preferably and in the context of a model consideration formed by a mass to be calmed, which is suspended from the environment via a mechanical spring in an elastic manner and is therefore capable of oscillation.

Ein wesentliches Merkmal des Schwingungsdämpfers ist jedoch, dass die Dämpfungsmittel eine auf dem mechanischen System befestigten Reibungskupplung mit mindestens einer auf die Dämpfermasse wirkende Reibfläche umfassen, wobei die Anpresskraft zwischen der mindestens einen Reibfläche und einer Gegenfläche zu dieser Reibfläche vorzugweise seitens der Dämpfermasse in ihrer Kraftstärke einstellbar und/oder regelbar ist, vorzugsweise mittels Stellmitteln. Vorzugsweise wird die Anpresskraft der Reibfläche und einer Gegenfläche zu dieser Reibfläche mittels eines (oder mehrerer) sekundären Federelements erzeugt und ist mittels des Stellmittels einstellbar und/ oder regelbar. Die Reibfläche dienen zudem bevorzugt als Führung der Dämpfermasse.However, an essential feature of the vibration damper is that the damping means include a friction clutch attached to the mechanical system with at least one friction surface acting on the damper mass, the force of the contact pressure between the at least one friction surface and a counter surface to this friction surface preferably being adjustable by the damper mass and/or can be regulated, preferably by means of adjusting means. Preferably, the contact force of the friction surface and a counter surface to this friction surface is generated by means of one (or more) secondary spring elements and can be adjusted and/or regulated by means of the adjusting means. The friction surface also preferably serves as a guide for the damper mass.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass Dämpfermasse durch Führungselemente für jeweils nur einen Bewegungsfreiheitsgrad zu führen. Das Führungselement für die Dämpfermasse umfasst dabei bevorzugt mindestens eine der Reibflächen umfasst, weiter vorzugsweise nur die Reibflächen, weiter bevorzugt mindestens drei Reibflächen oder mindestens zwei Reibflächen mit Führungsrillen.A preferred embodiment provides for the damper mass to be guided by guide elements for only one degree of freedom of movement. The guide element for the damper mass preferably comprises at least one of the friction surfaces, more preferably only the friction surfaces, more preferably at least three friction surfaces or at least two friction surfaces with guide grooves.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht eine Reibungskupplung zwei gegeneinander ausgerichtete und mit dem mechanischen System starr verbundene, relativ zueinander bewegbarer Reibflächen vor, zwischen denen eine Dämpfermasse angeordnet ist. Die Dämpfermasse ist somit nur parallel zu den Reibflächen bewegbar, wobei Reibung überwunden werden muss, die dann die Dämpfung hervorruft. Durch das sekundäre Federelement werden die Reibflächen gegeneinander elastisch vorgespannt, wobei die Dämpfermasse dazwischen mit der vorgenannten Anpresskraft eingespannt wird. Die Stellmittel dienen dabei entweder der Einstellung der Anpresskraft, beispielsweise durch Variieren der Federlänge und/oder des Federweges.A particularly preferred embodiment provides a friction clutch with two mutually aligned friction surfaces that are rigidly connected to the mechanical system and are movable relative to one another, between which a damper mass is arranged. The damper mass can therefore only be moved parallel to the friction surfaces, whereby friction must be overcome, which then causes the damping. The secondary spring element elastically prestresses the friction surfaces against each other, with the damper mass being clamped between them with the aforementioned contact pressure. The adjusting means serve either to adjust the contact pressure, for example by varying the spring length and/or the spring travel.

Vorgeschlagen werden insbesondere auch Ausgestaltungen, bei denen die Topographie und/oder der Anstellwinkel der Reibfläche ganz oder nur zu einem Anteil, vorzugsweise in den Randbereichen, bevorzugt in ihrem Anstellwinkel durch die Stellmittel verstellbar ist. Der Gegenfläche zu einer Reibfläche vorzugsweise auf Seiten der Dämpfermassen lässt sich somit einer lokalen Steigung oder Gefälle auf der Reibfläche gegenüberstehen, die es während der Dämpfung einer lateralen Bewegung wie eine Schwingungsbewegung zu überwinden gilt. Eine Anhebung insbesondere des Anstellwinkels der Randbereiche ermöglicht in vorteilhafte Weise in diesen lokal eine Anhebung der zu überwindenden Reibung aufgrund eines zusätzlich zur Reibung zu überwindenden Steigungsanstiegs einerseits und aufgrund der erhöhten Federkraft des zweiten Federelements aufgrund voneinander aufgebogener Reibflächen andererseits. Bei einer Dämpfung einer Schwingung erfolgt somit in vorteilhafter Weise eine über die Topographie und den Anstellwinkel von Reibflächenbereichen einstellbare Erhöhung der zu überwindenden Reibung mit zunehmender Schwingungsamplitude durch zusätzlich zur Reibung noch eine Steigung entgegensteht.In particular, embodiments are also proposed in which the topography and/or the angle of attack of the friction surface can be adjusted entirely or only in part, preferably in the edge regions, preferably in its angle of attack by the adjusting means. The counter surface to a friction surface, preferably on the side of the damper masses, can thus be faced with a local gradient or gradient on the friction surface, which has to be overcome during the damping of a lateral movement such as an oscillatory movement. An increase in particular in the angle of attack of the edge regions advantageously enables a local increase in the friction to be overcome due to an increase in gradient to be overcome in addition to the friction, on the one hand, and due to the increased spring force of the second spring element due to friction surfaces bent up from one another, on the other hand. When damping a vibration, an increase in the friction to be overcome with increasing vibration amplitude, which can be adjusted via the topography and the angle of attack of friction surface areas, takes place in an advantageous manner due to an incline in addition to the friction.

Mit der vorgenannten Reibungskupplung mit einstellbarer Anpresskraft ist nicht nur eine von der Amplitude sondern auch von der Frequenz der zu dämpfenden Schwingung abhängige Parameteranpassung der Reibdämpfung realisierbar, und zwar mittels einer Einstellbarkeit zwischen zwei Systemdynamiken, einer Haftreibung und einer Gleitreibung, in der Reibkupplung in Abhängigkeit auch von der Anpresskraft. Durch die Anpresskraft ändert sich die Reibkraft bei unveränderter Masse, damit auch die im Schwingungsdämpfer auftretenden Trägheitskräfte und damit auch das Losbrechmoment bei einem Übergang von Haft- und Gleitreibung. Die Reibungskupplung ist auch damit auf den jeweilig zu dämpfenden Schwingungsvorgang einstell- und regelbar. In vorteilhafter Weise werden dadurch nicht nur auftretende Schwingungsamplituden im System maximal reduzierbar, sondern zugleich auch nur mit der hierfür notwendigen Energie dissipierbar. Die Kombination dieser beiden Merkmale ist Basis für einen effektiven, energieeffizienten Dämpfer. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht somit auch in einer frequenzabhängigen Steuerung oder Regelung der Dämpfung insbesondere über eine verstellbare Anpresskraft auf die Reibfläche, die die Resonanzen im System durch den Haft-Gleit-Wechsel verschiebt.With the aforementioned friction clutch with adjustable contact pressure, not only a parameter adjustment of the friction damping that is dependent on the amplitude but also on the frequency of the vibration to be dampened can be realized, namely by means of an adjustability between two system dynamics, a static friction and a sliding friction, in the friction clutch as a function from the contact force. The contact force changes the frictional force while the mass remains unchanged, and with it the inertial forces that occur in the vibration damper and thus also the breakaway torque when there is a transition from static and sliding friction. The friction clutch can also be adjusted and regulated to the vibration process to be dampened. In an advantageous manner, not only can the oscillation amplitudes that occur in the system be reduced to the maximum, but at the same time they can also only be dissipated with the energy necessary for this. The combination of these two features is the basis for an effective, energy-efficient damper. A basic idea of the invention therefore also consists in a frequency-dependent control or regulation of the damping, in particular via an adjustable contact pressure on the friction surface, which shifts the resonances in the system through the stick-slide change.

Beansprucht wird folglich eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit dem eine auf mechanische Reibung zweier Elemente aufeinander wirkende Dämpfung semiaktiv regelbar ist, wobei die Vorspannung auf die Reibflächen insgesamt und auch lokal in Abhängigkeit einer anliegenden Frequenz oder Amplitude änderbar ist. Dies erfolgt vorzugsweise über einen geschlossenen Regelkreis, umfassend einen Messaufnehmer zur Erfassung der Frequenz, einer Steuer- oder Regeleinheit, in der die erfasste Frequenz zu mindestens einem Stellsignal verarbeitet wird sowie ein Stellmittel, vorzugsweise ein Aktor oder anderes Mittel, zur Regulierung der Anpresskraft und oder anderer Parameters zur Einstellung des Reibzustands (Haft-Gleit-Wechsel) der Reibungskupplung als Empfänger des mindestens einen Stellsignals.What is therefore required is a device and a method with which damping acting on mechanical friction between two elements can be semi-actively regulated, the preload on the friction surfaces being able to be changed overall and also locally depending on an applied frequency or amplitude. This is preferably done via a closed control loop, comprising a sensor for detecting the frequency, a control or regulating unit in which the detected frequency is processed into at least one control signal, and an adjusting means, preferably an actuator or other means, for regulating the contact pressure and or other parameters for setting the friction state (stick-sliding change) of the friction clutch as a receiver of the at least one control signal.

Um eine Schwingungsdämpfung oder -tilgung eines mechanischen Systems energetisch zu optimieren, wird ein Schwingungsdämpfer vorgeschlagen, der einerseits größere Schwingungsamplitudenhöhen reduziert, dabei aber nicht dauerhaft Energie aus dem System dissipiert. Oftmals ist eine Dämpfung von Schwingungen abseits der Resonanzfrequenzen und damit einhergehend deutlich reduzierter Schwingungsamplituden nicht unbedingt erforderlich. Ein energieeffizienter Dämpfer dissipiert folglich nur dann Energie, wenn dies zur Funktionserfüllung bzw. Systemschutz erforderlich ist.In order to energetically optimize vibration damping or cancellation of a mechanical system, a vibration damper is proposed which, on the one hand, reduces larger vibration amplitude heights, but does not permanently dissipate energy from the system. Damping of vibrations outside the resonance frequencies and the associated significantly reduced vibration amplitudes is often not absolutely necessary. An energy-efficient damper therefore only dissipates energy when this is necessary to fulfill its function or protect the system.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform wird speziell hierzu ein sekundäres Federelement zur Erzeugung der Anpresskraft auf die mindestens eine Reibfläche vorgeschlagen, das weiter bevorzugt in seiner Vorspannung und/oder in seiner Federweglänge durch ein Stellmittel der vorgenannten Art, weiter bevorzugt mit magnetischen, piezoelektrischen oder motorischen Aktoren realisiert, einstellbar ist. Vorzugsweise wird dazu vorgeschlagen, dass das Federelement und das Stellmittel jeweils separat auf die Reibflächen bzw. die auf diese reibenden Gegenflächen einwirken, d.h. die Stellmittel auf das Federelement z.B. in seiner Ausgangslage oder im Federweg nicht direkt verstellen.In the context of a preferred embodiment, a secondary spring element is specifically proposed for generating the contact force on the at least one friction surface, which is further preferably adjusted in its preload and/or in its spring travel length by an adjusting means of the aforementioned type, more preferably with magnetic, piezoelectric or motor actuators implemented, adjustable. It is preferably proposed that the spring element and the adjusting means each act separately on the friction surfaces or the counter surfaces rubbing on them, i.e. the adjusting means do not directly adjust the spring element, for example in its initial position or in the spring travel.

Eine Ausgestaltung sieht vor, die Stellmittel in der Dämpfermasse anzuordnen und dabei so zu gestalten, dass die auf den Reibflächen zugewandten Oberflächen der Dämpfermasse, d.h. die Reibungspartner zu den Reibflächen, bewegbar sind und so auf die Reibflächen zu- und/oder voneinander weg positionierbar sind.One embodiment provides for the adjusting means to be arranged in the damper mass and designed in such a way that the surfaces of the damper mass facing the friction surfaces, i.e. the friction partners to the friction surfaces, are movable and can thus be positioned towards and/or away from each other on the friction surfaces .

Vorzugsweise weist die Reibkupplung zumindest zwei, vorzugsweise zwei, drei oder vier auf dem mechanischen System angeordnete Armelemente auf der zu beruhigenden Masse auf, die sich um die Dämpfermasse herum erstrecken und durch das sekundäre Federelement unter Einklemmung der Dämpfermasse elastisch gegeneinandergedrückt werden. Weiter bevorzugt sind Stellmittel an den Armen angebunden und geeignet, die Reibflächen zu- und/oder voneinander zu bewegen und/oder in ihrer Topographie in zuvor genannter Weise zu ändern.The friction clutch preferably has at least two, preferably two, three or four arm elements arranged on the mechanical system on the mass to be calmed, which extend around the damper mass and are pressed elastically against one another by the secondary spring element while clamping the damper mass. Further preferably, adjusting means are connected to the arms and are suitable for moving the friction surfaces towards and/or apart and/or changing their topography in the manner mentioned above.

Die Reibflächen auf den Armen dienen dabei auch als Führung der Dämpfermasse in der Reibkupplung und bestimmen in Summe wesentlich dessen Bewegungsfreiheitsgrade. Jene sind für die Dämpfermasse und des mechanischen Systems weiter bevorzugt fluchtend zueinander angeordnet oder unterscheiden sich in ihrer Ausrichtung maximal 30° voneinander. Wesentlich sind dabei die vektoriellen Anteile der beiden Freiheitsgrade mit übereinstimmender Ausrichtung, die eine gegenseitige Beeinflussung und damit Dämpfung in dieser Ausrichtung erst ermöglichen.The friction surfaces on the arms also serve to guide the damper mass in the friction clutch and essentially determine its degrees of freedom of movement. For the damper mass and the mechanical system, these are preferably arranged aligned with one another or differ from one another in their orientation by a maximum of 30°. What is essential here are the vectorial components of the two degrees of freedom with the same orientation, which enable mutual influence and thus damping in this orientation.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Reibflächen jeweils um einen mittleren Bereich einseitig oder beidseitig randseitige und zum Rand vorzugsweise stetig ansteigende Steigungsbereiche auf. Der mittlere Bereich erstreckt sich vorzugsweise über die potentiellen Ruhepositionen der Dämpfermasse ohne angreifenden Kräfte, hervorgerufen durch die zu dämpfende Bewegung des technischen Systems, auf der Reibfläche. Der mittlere Bereich ist vorzugsweise eben, sodass die Dämpfermasse in diesem Bereich ohne angreifende Kräfte nicht ihre Lage verändert. Die für eine reibende Bewegung zwischen Reib- und Gegenfläche von einem Haft- in eine Gleitreibung zu überwindende Losbrechkraft hängt von der Anpresskraft zwischen Reib- und Gegenfläche ab. Die beiden Steigungsbereiche sind vorzugsweise symmetrisch zum mittleren Bereich angeordnet und verstellbar sowie in ihrer Beschaffenheit, Ausgestaltung und Reibflächeneigenschaften gleich ausgestaltet.In the context of a particularly preferred embodiment, the friction surfaces each have slope areas around a central area on one or both sides of the edge and preferably continuously increasing towards the edge. The middle area preferably extends over the potential rest positions of the damper mass without attacking forces, caused by the movement of the technical system to be damped, on the friction surface. The middle area is preferably flat, so that the damper mass does not change its position in this area without acting forces. The breakaway force that has to be overcome for a frictional movement between the friction and counter surface from static to sliding friction depends on the contact pressure between the friction and counter surface. The two slope areas are preferably arranged symmetrically to the central area and are adjustable and have the same structure, design and friction surface properties.

Die randseitigen Steigungsbereiche sind in einer bevorzugten Ausgestaltung in ihrer Steigung elastisch nachgiebig, womit insbesondere stoßartige Relativbewegungen zwischen Reib- und Gegenflächen beim Übergang in die Steigungsbereiche hinein weicher abfangbar sind.In a preferred embodiment, the edge-side slope areas are elastically flexible in their slope, which means that, in particular, shock-like relative movements between friction and counter surfaces can be absorbed more smoothly during the transition into the slope areas.

Bevorzugt sind die Steigungsbereiche über elastische Biegeelemente mit dem mittleren Bereich verbunden und bilden zusammen mit diesem eine durchgehende Reib- und damit Oberfläche, wobei die Übergänge zu den Steigungsbereichen weiter bevorzugt nicht scharfkantig, sondern in einem ebenfalls elastisch biegbaren Bereich übergehen. Die Gefahr von Verkantungen der Gegenflächen auf den Reibflächen insbesondere beim Übergang in die Steigungsbereiche hinein werden somit deutlich reduziert.The slope regions are preferably connected to the central region via elastic bending elements and, together with this, form a continuous friction and thus surface, the transitions to the slope regions more preferably not being sharp-edged, but in a likewise elastically bendable region. The risk of tilting of the counter surfaces on the friction surfaces, especially when transitioning into the slope areas, is thus significantly reduced.

Die Steigungsbereiche müssen im Rahmen der Reibkupplung von der Gegenfläche gegen die Anpresskraft überwunden werden. Je größer die Steigung, desto größer auch die Gegenkraft auf das Dämpferelement beim Aufsteigen auf diesen Steigungsbereichen; die Aufsteigbewegung ist dabei entgegen der Anpresskraft orientiert. Folglich ist die Dämpfungswirkung des Schwingungsdämpfers in den Steigungsbereichen größer als in dem mittleren Bereich. Je größer die über das mechanische System eingeprägte und durch den Schwingungsdämpfer zu dämpfende Schwingungsamplitude ist, desto mehr erstreckt sich die Bewegung der Gegenfläche in die randseitigen Steigungsbereiche hinein. Mit zunehmender Amplitude steigt damit auch die zu überwindende Aufsteigbewegung und damit auch die Dämpfung überproportional an.The slope areas must be overcome by the counter surface against the contact pressure within the friction clutch. The greater the gradient, the greater the counterforce on the damper element when climbing these gradient areas; the rising movement is oriented against the contact pressure. Consequently, the damping effect of the vibration damper is greater in the slope areas than in the middle area. The larger the vibration amplitude impressed by the mechanical system and to be dampened by the vibration damper, the more the movement of the counter surface extends into the edge slope areas. As the amplitude increases, the rising movement to be overcome and thus the damping also increase disproportionately.

Die Steigungsbereiche sind in ihrer Steigung und damit die Dämpfung des Schwingungsdämpfers ab Erreichen der Schwingungsamplitude in die Steigungsbereiche durch die Gegenfläche verstellbar, weiter bevorzugt mittels motorisch oder piezokeramisch getriebenen Aktoren, vorzugsweise selbsthemmende Aktoren (Schneckenantrieb, piezokeramische Aktoren) verstellbar.The slope ranges are adjustable in their slope and thus the damping of the vibration damper from the moment the vibration amplitude is reached in the slope ranges by the counter surface, more preferably by means of motor or piezoceramic driven actuators, preferably self-locking actuators (worm drive, piezoceramic actuators).

Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden Steigungsbereiche synchron in ihrem Winkel und/oder Topographie einstellbar, wobei die Steigungsbereiche weiter bevorzugt über deren gesamten Erstreckung eine einheitliche Verstellbarkeit der Steigung aufweisen.Within the scope of a preferred embodiment, the two gradient areas can be adjusted synchronously in their angle and/or topography, with the gradient areas further preferably having a uniform adjustability of the gradient over their entire extent.

Eine bevorzugte Ausführungsform weist Messaufnehmer zur Erfassung einer Frequenz (über ein elektrisches Messsignal) am mechanischen System, vorzugsweise an, auf oder über der zu beruhigenden Masse, sowie eine Steuer- oder Regeleinheit zur Wandlung der erfassten Frequenz zu mindestens einem Stellsignal für die verstellbare Reibungskupplung vorgesehen ist. Dabei sind die Dämpfungsmittel zwischen dem mechanischen System und einer Dämpfermasse mit dem Messaufnehmer, die Steuer- und Regeleinheit sowie der Reibungskupplung Teil eines geschlossenen Steuerungskreises.A preferred embodiment has measuring sensors for detecting a frequency (via an electrical measurement signal) on the mechanical system, preferably on or above the mass to be calmed, as well as a control or regulating unit for converting the detected frequency into at least one control signal for the adjustable friction clutch is. The damping means between the mechanical system and a damper mass with the sensor, the control and regulation unit and the friction clutch are part of a closed control circuit.

Die Messaufnehmer umfassen vorzugsweise direkt auf die zu beruhigende Masse aufgesetzte piezoelektrische oder resistive Schwingungsmessaufnehmer oder ortsfest zur beruhigenden Masse beabstandet angeordnete induktive, kapazitive oder optische Messaufnehmer, vorzugsweise Wegmesssysteme, jeweils zur quantitativen Erfassung von Frequenzen und Amplituden einer Schwingung des mechanischen Systems. Alternativ bieten sich Messaufnehmer an der elastischen Aufhängung der zu beruhigenden Masse, der Feder des mechanischen Systems zur Erfassung des Schwingungszustandes an, z.B. mittels auf der Feder applizierter Dehnungsmessstreifen.The measuring sensors preferably include piezoelectric or resistive vibration measuring sensors placed directly on the mass to be calmed or inductive, capacitive or optical measuring sensors arranged stationary and spaced from the calming mass, preferably position measuring systems, each for the quantitative detection of frequencies and amplitudes of a vibration of the mechanical system. Alternatively, measuring sensors are available on the elastic suspension of the mass to be calmed, the spring of the mechanical system to record the vibration state, e.g. using strain gauges applied to the spring.

Die Dämpfungsmasse ist vorzugsweise kugel- oder zylinderförmig oder weist zumindest jeweils zu den Reibflächen orientierte Gegenflächen mit ausgerundeten Randbereichen auf. Die Gefahr von Verkantungen der Gegenflächen auf den Reibflächen insbesondere in den vorgenannten Steigungsbereichen wird damit signifikant reduziert.The damping mass is preferably spherical or cylindrical or at least has counter surfaces oriented towards the friction surfaces with rounded edge areas. The risk of tilting of the mating surfaces on the friction surfaces, particularly in the aforementioned slope ranges, is thus significantly reduced.

Der vorgenannte Schwingungsdämpfer zeichnet sich dadurch aus, dass nicht eine variable Tilgung in einem breiten Frequenzbereich, sondern nur an einer festlegbaren Betriebsfrequenz realisiert wird. Davon abweichende Frequenzen wie auch kleiner Schwingungsamplituden oder -anteile werden nur zu einem deutlich geringeren Anteil gedämpft, was wiederum zu einer Energieeinsparung führt. Ziel ist es, bestimmte Frequenzen und größere Schwingungsamplituden möglichst selektiv zu dämpfen. Das Zusammenspiel aus Haft- und Gleitreibung (Tilgung) zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche sorgt dabei für eine Relativbewegung in nur einem auswählbaren Frequenzbereich. Dadurch wird auch nur in diesem Bereich die notwendige Energie dissipiert. Im Gegensatz dazu weisen herkömmliche Schwingungsdämpfer mit variabler Tilgerfrequenzen dauerhaft eine gedämpfte Relativbewegung und somit auch eine dauerhafte Energiedissipation auf. Da Dissipation nicht vollkommen unterdrückt werden kann, wirkt sich dieser Ansatz nachteilig auf die Effizienz.The aforementioned vibration damper is characterized by the fact that variable absorption is not implemented in a wide frequency range, but only at a definable operating frequency. Frequencies that deviate from this, as well as smaller vibration amplitudes or components, are only dampened to a significantly smaller extent, which in turn leads to energy savings. The aim is to dampen certain frequencies and larger vibration amplitudes as selectively as possible. The interaction of static and sliding friction (deletion) between the friction surface and the counter surface ensures a relative movement in only one selectable frequency range. This means that the necessary energy is only dissipated in this area. In contrast, conventional vibration dampers with variable absorber frequencies permanently have a damped relative movement and thus also a permanent energy dissipation. Since dissipation cannot be completely suppressed, this approach has a negative impact on efficiency.

Das Grundprinzip der Erfindung basiert somit auf einer grundlegenden Änderung in der Dynamik des Schwingungsdämpfers. Durch einen Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung ändern sich die Freiheitsgrade im System. Diese Änderung bringt eine Änderung der strukturellen Resonanzen im System mit sich. Mit einem Variieren der Anpresskraft zwischen den Gleitflächen und den Gegenflächen ändern sich auch die Reibeigenschaften und damit auch die vorgenannten strukturellen Resonanzfrequenzen. Sie sind so in vorteilhafter Weise umgehbar.The basic principle of the invention is therefore based on a fundamental change in the dynamics of the vibration damper. By changing between static and sliding friction, the degrees of freedom in the system change. This change brings with it a change in the structural resonances in the system. As the contact force between the sliding surfaces and the countersurfaces varies, the friction properties and thus also the aforementioned structural resonance frequencies change. They can thus be circumvented in an advantageous manner.

Weiter unterscheiden sich die vorgeschlagenen Störgrößenaufschaltungsmethoden dadurch, dass diese aufgrund der Änderbarkeit von Anpresskraft und Steigungswinkel aktive Methoden für eine selektive Dämpfung von vorbestimmbaren Frequenzen und Amplituden darstellen. Sie generieren die genau geforderte Gegenkraft, um Schwingungen auszugleichen.The proposed disturbance variable application methods also differ in that they represent active methods for selective damping of predeterminable frequencies and amplitudes due to the changeability of contact force and pitch angle. They generate the exact counterforce required to compensate for vibrations.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen des Schwingungsdämpfers, den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert. Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden. Es zeigen

  • 1 ein mechanisches System mit einem konventionellen ungeregelten Schwingungsdämpfer (Vibrationstilger, Stand der Technik),
  • 2 ein mechanisches System mit einem Schwingungsdämpfer gemäß 1, jedoch mit einem zusätzlichen trockenen Reibungselement,
  • 3 beispielhaft einen Schwingungsdämpfer mit angewinkelten Steigungsbereichen als Reibfläche zur Dämpfungsmasse hin,
  • 4a und b zwei weitere Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen Schwingungsdämpfers,
  • 5 eine graphische Darstellung der Amplitudengänge über die Frequenz bei Haftreibung und Gleitreibung des in 4a dargestellten Schwingungsdämpfers, sowie deren ideale Systemantwort,
  • 6 einen beispielhaften grundlegenden Aufbau und Verschalten einer Steuer- und Regeleinheit als Teil,
  • 7 die Struktur des Frequenzidentifikationsmoduls aus 6 im Detail,
  • 8 eine graphische Darstellung der Amplitudengänge über die Frequenz bei Haftreibung und Gleitreibung nach einer Sweep-Simulation durch ein frequenzbasiertes Regelungsverfahren,
  • 9a bis d beispielhafte Ausgestaltungen der Belastungsvorrichtungen für eine einstellbare Anpresskraft (über Wegverschiebung Δl) der Reibflächen gegen die Dämpfermasse im Schwingungsdämpfers: Piezoaktorvarianten (a und b) Magnetvariante (c) Seilvariante (d),
  • 10a und b prinzipielle Darstellungen von Ausgestaltungsbeispielen von Stellgliedern zur Verstellung des Anstellwinkels der randseitige Steigungsbereiche der Reibfläche - Schraubenvariante zur Winkeländerung. (a) Seil-Drehfeder-Variante zur Winkeländerung (b) - sowie
  • 11a und b prinzipielle Darstellungen von Ausgestaltungsbeispielen für eine Reibfläche, umfassend mehrere Reibflächensegmente mit ebenen und/oder gewölbten randseitigen Steigungsbereiche über, auf oder in einer separaten tragenden Struktur.
The invention is explained in more detail using exemplary embodiments of the vibration damper, the following figures and descriptions. All features shown and their combinations are not only limited to these exemplary embodiments and their configurations. Rather, these should be viewed as combinable as representatives of other possible embodiments that are not explicitly shown as exemplary embodiments. Show it
  • 1 a mechanical system with a conventional unregulated vibration damper (vibration absorber, state of the art),
  • 2 a mechanical system with a vibration damper 1 , but with an additional dry friction element,
  • 3 For example, a vibration damper with angled pitch areas as a friction surface towards the damping mass,
  • 4a and b two further embodiments of the proposed vibration damper,
  • 5 a graphical representation of the amplitude responses over the frequency for static friction and sliding friction of the in 4a vibration damper shown, as well as their ideal system response,
  • 6 an exemplary basic structure and interconnection of a control and regulation unit as part,
  • 7 the structure of the frequency identification module 6 in detail,
  • 8th a graphical representation of the amplitude responses over frequency for static friction and sliding friction after a sweep simulation using a frequency-based control method,
  • 9a until d exemplary configurations of the loading devices for an adjustable contact force (via displacement Δl) of the friction surfaces against the damper mass in the vibration damper: piezo actuator variants (a and b) magnet variant (c) rope variant (d),
  • 10a and b basic representations of design examples of actuators for adjusting the angle of attack of the edge slope areas of the friction surface - screw variant for changing the angle. (a) Rope torsion spring variant for changing the angle (b) - as well
  • 11a and b basic representations of design examples for a friction surface, comprising several friction surface segments with flat and/or curved edge slope areas above, on or in a separate supporting structure.

1 repräsentiert den Grundaufbau eines herkömmlichen Schwingungsdämpfers, aufgesetzt auf einem mechanischen System. Das mechanische System wird im dargestellten vereinfachten Modellbeispiel durch eine durch den Schwingungsdämpfer zu beruhigende Masse 1 (Masse m1) dargestellt, die gegenüber der Umgebung elastisch aufgehängt ist, im Beispiel durch eine mechanische Feder 2 (Federsteifigkeit c1). Der Schwingungsdämpfer selbst umfasst ein eine Dämpfermasse 3 (Masse m2), die über eine Parallelschaltung aus einem primären Federelement 4 (Federsteifigkeit c2) und Dämpfungsmitteln 5 (Dämpfungskonstante d2) an die zu beruhigende Masse aufgesetzt ist. Herkömmliche Systeme wie diese weisen oftmals eine gleichbleibende Dämpfungskonstante auf, die frequenzunabhängig gleichwirkend alle Schwingungen mit allen Amplituden dämpft. 1 represents the basic structure of a conventional vibration damper, placed on a mechanical system. In the simplified model example shown, the mechanical system is represented by a mass 1 (mass m 1 ) to be calmed by the vibration damper, which is elastically suspended from the environment, in the example by a mechanical spring 2 (Spring stiffness c 1 ). The vibration damper itself comprises a damper mass 3 (mass m 2 ), which is placed on the mass to be calmed via a parallel connection consisting of a primary spring element 4 (spring stiffness c 2 ) and damping means 5 (damping constant d 2 ). Conventional systems like these often have a constant damping constant, which dampens all vibrations with all amplitudes regardless of frequency.

Das mechanische System wird durch eine Störung in Schwingung F = sin  Ω t

Figure DE102022110201A1_0002
gebracht, die durch eine harmonische Kraft mit der Erregeramplitude F und der Erregerkreisfrequenz Q modelliert wird. Die Dämpfungsmittel mit der Dämpfungsmasse greifen an der zu beruhigenden Masse direkt an, womit die Systemdynamik verbessert und die Auswirkungen der Störung minimiert werden sollen.The mechanical system is caused to vibrate by a disturbance F = sin Ω t
Figure DE102022110201A1_0002
brought, which is modeled by a harmonic force with the exciter amplitude F and the exciter angular frequency Q. The damping means with the damping mass directly attack the mass to be calmed, which is intended to improve the system dynamics and minimize the effects of the disturbance.

2 zeigt das in 1 dargestellte System, ergänzt durch ein zusätzliches trockenes Reibungselement 6, das parallel zu den vorgenannten Dämpfungsmitteln 5 (Dämpfungskonstante d2) und primären Federelement 4 (Federsteifigkeit c2) zwischen der zu beruhigenden Masse 1 und der Dämpfermasse 3 eingesetzt ist. Das Reibungselement unterstützt die Dämpfungswirkung der Dämpfungsmittel und ermöglicht grundsätzlich Haft- und Gleitreibung. 2 shows that in 1 system shown, supplemented by an additional dry friction element 6, which is inserted parallel to the aforementioned damping means 5 (damping constant d 2 ) and primary spring element 4 (spring stiffness c 2 ) between the mass 1 to be calmed and the damper mass 3. The friction element supports the damping effect of the damping means and basically enables static and sliding friction.

3 zeigt die Anordnung eines Schwingungsdämpfers auf einem vorgenannten mechanischen System (1, 2). Wie herkömmliche Systeme weist der Schwingungsdämpfer auch hier eine Dämpfermasse 3 auf. Die Dämpfungsmittel umfassen eine auf der zu beruhigenden Masse befestigten Reibungskupplung 7 mit zwei beidseitig auf die Dämpfermasse 3 wirkenden mit einem Anstellwinkel α angewinkelten Reibflächenbereiche als randseitige Steigungsbereiche 8 ohne einen dazwischen angeordneten mittleren Bereich. Die Dämpfermasse weist einen Kontakt zu allen vier dargestellten Steigungsbereiche auf und wird durch diese auch in seiner Ruhelage fixiert. Ein primäres Federelement zwischen zu beruhigenden Masse 1 und der Dämpfermasse 3 ist nicht vorgesehen und erforderlich. Die Reibflächen sind dabei jeweils auf ein Armelement 9 angeordnet und klemmen die Dämpfermasse ein, wobei die Anpresskraft dabei über ein sekundäres Federelement 10 über die Enden der Armelemente eingebracht wird. 3 shows the arrangement of a vibration damper on an aforementioned mechanical system (1, 2). Like conventional systems, the vibration damper here also has a damper mass 3. The damping means comprise a friction clutch 7 fastened on the mass to be calmed, with two friction surface areas acting on both sides of the damper mass 3 at an angle of attack α as edge slope areas 8 without a central area arranged in between. The damper mass has contact with all four gradient areas shown and is also fixed in its rest position by them. A primary spring element between the mass 1 to be calmed and the damper mass 3 is not provided and is not required. The friction surfaces are each arranged on an arm element 9 and clamp the damper mass, with the contact force being introduced via a secondary spring element 10 via the ends of the arm elements.

4a und b zeigen dagegen zwei Ausführungsbeispiele, bei denen die Dämpfermasse 3 mittels einem primären Federelement 4 mit der zu beruhigenden Masse 1 verbunden ist und von dieser zwischen zwei Reibflächen (4a) oder an einer Reibfläche (4b) über ein sekundäres Federelement 10 mit einer Anpresskraft angepresst wird. Die Dämpfermasse befindet sich bei entspanntem primären Federelement jeweils in einer Mittellage, vorzugsweise in einem mittleren Bereich 11 einer der Reibflächen 12 zwischen den beiden mit einem Anstellwinkel α angewinkelten randseitigen Steigungsbereichen 8. 4a and b, on the other hand, show two exemplary embodiments in which the damper mass 3 is connected to the mass 1 to be calmed by means of a primary spring element 4 and is separated from it between two friction surfaces ( 4a) or on a friction surface ( 4b) is pressed with a contact force via a secondary spring element 10. When the primary spring element is relaxed, the damper mass is in a central position, preferably in a central region 11 of one of the friction surfaces 12 between the two edge slope regions 8 angled at an angle of attack α.

Das Dämpfungselement umfasst folglich eine Dämpfermasse 3, einem primären Federelement 4 und einer oder zwei Reibflächen 12 (4b bzw. 4a), die durch ein sekundäres Federelement an Gegenflächen der Dämpfermasse gepresst werden. Die Reibkontakte bestehen vorzugsweise aus zwei mit dem Anstellwinkel α angewinkelten Segmenten (Steigungsbereiche 8) und einem flachen mittleren Bereich 11 der Länge 2Δl dazwischen. Die einzelnen Bereiche der Reibfläche werden vorzugsweise mittels elastischen Gelenken aneinander verbunden, wobei ein bevorzugt knickfreier und stetiger Übergang sichergestellt ist.The damping element therefore comprises a damper mass 3, a primary spring element 4 and one or two friction surfaces 12 ( 4b or. 4a) , which are pressed onto counter surfaces of the damper mass by a secondary spring element. The friction contacts preferably consist of two segments angled at the angle of attack α (pitch areas 8) and a flat central area 11 of length 2Δ l between them. The individual areas of the friction surface are preferably connected to one another by means of elastic joints, with a preferably kink-free and continuous transition being ensured.

Je nach der Vorspannung des sekundären Federelements und damit der Höhe der Anpresskraft sowie des momentanen Bewegungszustands liegt Haft- oder Gleitreibung zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche auf der Dämpfermasse vor. 5 zeigt in graphischer Darstellung die Amplitudengänge bei Haftreibung und Gleitreibung des in 4a dargestellten Schwingungsdämpfers, sowie deren ideale Systemantwort. Die Schwingungsamplitude der Hauptmasse AX (zu beruhigende Masse 1) ist in Abhängigkeit der Erregerfrequenz Ω dargestellt. Für sehr große Vorspannungen (Anpresskräfte, einstellbare Federweglänge Δl = FΔl/c3 gegen unendlich) ergibt sich eine haftende Systemdynamik 13 mit einem ersten Resonanzpeak 15. Wohingegen sich mit einer Absenkung der Vorspannung (Anpresskräfte, Δl tendiert gegen 0) sich eine gleitende Systemdynamik 14 mit zwei (zweiten) Resonanzpeaks 16 einstellt. Wird Δl = 0 gewählt, weist das System zusätzlich eine Tilgungsfrequenz bei Q = (c2/m2)1/2 auf. Bei der Tilgungfrequenz verschwinden die Schwingungsamplituden der zu beruhigenden Masse 1 des mechanischen Systems nahezu vollständig. Eine ideale Regelung der Anpresskraft und damit des Reibungszustands liegt dann vor, wenn mit einer Steuer- und Regeleinheit zwischen der gleitenden oder haftenden Systemdynamik in der Weise hin- und hergeschaltet wird, dass jeweils die Systemdynamik mit der Kurve mit den geringsten Schwingungsamplituden anliegt (Idealkurve 17 mit Umschaltungen bei Erregerfrequenz Ω1 und Ω2). Das frequenzbasierte Regelungsverfahren zielt darauf ab, diese Idealkurve zu reproduzieren.Depending on the preload of the secondary spring element and thus the amount of contact force as well as the current state of motion, there is static or sliding friction between the friction surface and the counter surface on the damper mass. 5 shows a graphical representation of the amplitude characteristics for static friction and sliding friction of the in 4a Vibration damper shown, as well as their ideal system response. The oscillation amplitude of the main mass A For very large preloads (contact forces, adjustable spring travel length Δl = F Δl /c 3 towards infinity) there is a sticking system dynamic 13 with a first resonance peak 15. Whereas a reduction in the preload (contact forces, Δl tends towards 0) results in a sliding system dynamic 14 with two (second) resonance peaks 16 sets. If Δl = 0 is chosen, the system also has an amortization frequency at Q = (c2/m2) 1/2 . At the extinction frequency, the oscillation amplitudes of the mass 1 of the mechanical system to be calmed disappear almost completely. An ideal control of the contact force and thus the state of friction occurs when a control and regulation unit is used to switch back and forth between the sliding or sticking system dynamics in such a way that the system dynamics with the curve with the lowest vibration amplitudes are applied (ideal curve 17 with switching at excitation frequency Ω 1 and Ω 2 ). The frequency-based control method aims to reproduce this ideal curve.

Die gesamte Systemstruktur der Steuer- und Regeleinheit wird in 6 dargestellt und besteht aus drei Baugruppen, dem mechanischen System 18, einem Frequenzidentifikationsmodul 19 und Erfassung einer Frequenz am mechanischen System sowie eine Steuer- oder Regeleinheit 20 zur Wandlung der erfassten Frequenz als Messsignale zu mindestens einem Stellsignal 21 für in das mechanische System eingreifende Stellglieder 22. Für die Beeinflussung des mechanischen Systems sind im Beispiel zwei Parameter variierbar, und zwar der Anstellwinkel α sowie die Vorspannlänge Δl (vgl. 4a und b). Diese dienen vorzugsweise als Stellsignale und damit als Eingangsgrößen für das mechanische System.The entire system structure of the control and regulation unit is in 6 presented and exists from three assemblies, the mechanical system 18, a frequency identification module 19 and detection of a frequency on the mechanical system as well as a control or regulating unit 20 for converting the detected frequency as measurement signals to at least one control signal 21 for actuators 22 engaging in the mechanical system. For influencing In the example of the mechanical system, two parameters can be varied, namely the angle of attack α and the preload length Δl (cf. 4a and b). These preferably serve as control signals and thus as input variables for the mechanical system.

Das mechanische System weist zudem Messaufnehmer zur Erfassung dessen Schwingungszustände auf und gibt diese als Rohdaten 23 an das Frequenzidentifikationsmodul weiter. In diesem erfolgt eine Identifizierung der jeweils anliegenden Schwingfrequenz Ωid des mechanischen Systems mithilfe einer Fourier-Transformation. In der Regel ist diese gleich der Kreisfrequenz Ω, hervorgerufen durch eine Anregung mit F·sin (Ωt). Diese muss identifiziert werden, da man in praktischen Fall nicht vorher weißt, welche Anregung auf das System wirkt. Anschließend wird diese identifizierte Frequenz der Steuer- oder Regeleinheit 20 weitergegeben, welcher die vorgenannten Parameter α und Δl über die vorgenannten Stellglieder 22 einstellt.The mechanical system also has measuring sensors for recording its vibration states and passes these on as raw data 23 to the frequency identification module. In this, the respective oscillation frequency Ω id of the mechanical system is identified using a Fourier transformation. As a rule, this is equal to the angular frequency Ω, caused by an excitation with F sin (Ωt). This must be identified because in practice one does not know in advance which stimulus will affect the system. This identified frequency is then passed on to the control or regulating unit 20, which sets the aforementioned parameters α and Δl via the aforementioned actuators 22.

Für die Ermittlung der Stellsignale für α und Δl in der Steuer- oder Regeleinheit müssen zunächst die Sollwerte αd und Δld festgelegt werden. Diese, insbesondere die obere Intervallgrenze für den Sollwert αd und die untere Intervallgrenze für den Sollwert Δld werden abhängig von der identifizierten Frequenz Ωid des mechanischen Systems ausgewählt, wobei Ωid zwischen Ω1 und Ω2 (vgl. 5) liegt. Anschließend müssen die Regelgrößen auf diese Parameter eingestellt werden.To determine the control signals for α and Δl in the control or regulating unit, the setpoints α d and Δl d must first be determined. These, in particular the upper interval limit for the setpoint α d and the lower interval limit for the setpoint Δl d , are selected depending on the identified frequency Ω id of the mechanical system, where Ω id is between Ω 1 and Ω 2 (cf. 5 ) lies. The controlled variables must then be set to these parameters.

7 zeigt beispielhaft die Struktur des Frequenzidentifikationsmoduls 19 aus 6 im Detail als Blockschaltbild. Anhand der Struktur lässt sich der Vorgang der Identifikation im Wesentlichen aus den folgenden Schritten beschreiben :

  • 1.Erfassung des Schwingungssignals X2(t), 23 an der Dämpfungsmasse, wobei die letzten N Punkte 24 auf einer Zeitachse 25 zusammengefasst werden.
  • 2. Fast Fourier Transformation (FFT) 26 von X2(t).
  • 3. Identifizierung 27 von möglichen identifizierten Frequenzen Ωid, i aus den Frequenzen der FFT-Peaks.
  • 4. Die identifizierten Frequenzen Ωid, i mit dem geringsten Abstand zum gleitenden Mittelwert wird als die nächste identifizierte Frequenz Ωid festgelegt.
7 shows an example of the structure of the frequency identification module 19 6 in detail as a block diagram. Based on the structure, the identification process can essentially be described in the following steps:
  • 1.Detection of the vibration signal X 2 (t), 23 at the damping mass, with the last N points 24 being summarized on a time axis 25.
  • 2. Fast Fourier Transform (FFT) 26 of X 2 (t).
  • 3. Identification 27 of possible identified frequencies Ω id , i from the frequencies of the FFT peaks.
  • 4. The identified frequencies Ω id , i with the closest distance to the moving average are set as the next identified frequency Ω id .

Eine Simulation des beschriebenen Verfahrens mit einer sog. Sweep-Anregung wird in 8 dargestellt. Gezeigt wird wie in 4 eine graphische Darstellung der Amplitudengänge über die Frequenz bei Haftreibung 28 und Gleitreibung 29 sowie einer Idealkurve 30 nach einer Sweep-Simulation durch das vorgenannte frequenzbasiertes Regelungsverfahren. Durch die Veränderung der Größen α und Δl lassen sich im Schwingungsdämpfer die Gleit- und Haftreibungsbereiche innerhalb der genannten Idealkurve einstellen. α und Δl werden beim Überschreiten der Frequenzen Ω1 und Ω2 (konstante Parameter, Schaltpunkte bzw. Schaltfrequenzen zwischen Gleit- und Haftreibungsbereiche) verändert. Die sind also die Schaltpunkt / Schaltfrequenzen Zwischen den Frequenzen Ω1 und Ω2 (vgl. 4) kommt es zu einer Gleitreibung, außerhalb zu einer Haftreibung zwischen der Dämpfermasse und den Reibflächen. Auf diese Weise lassen sich auch kleine Schwingungsamplituden im Gleitreibungsbereich einstellen und zugleich große Amplituden des haftenden Systems vermeiden.A simulation of the described method with a so-called sweep excitation is presented in 8th shown. It is shown as in 4 a graphical representation of the amplitude responses over the frequency for static friction 28 and sliding friction 29 and an ideal curve 30 after a sweep simulation using the aforementioned frequency-based control method. By changing the sizes α and Δl, the sliding and static friction areas in the vibration damper can be adjusted within the ideal curve mentioned. α and Δl are changed when the frequencies Ω 1 and Ω 2 (constant parameters, switching points or switching frequencies between sliding and static friction areas) are exceeded. These are the switching points / switching frequencies between the frequencies Ω 1 and Ω 2 (cf. 4 ) there is a sliding friction, outside there is a static friction between the damper mass and the friction surfaces. In this way, even small oscillation amplitudes in the sliding friction area can be adjusted and at the same time large amplitudes of the adhesive system can be avoided.

Die berechnete Idealkurve gemäß 4 zeigt in den Übergängen zwischen Gleit- und Haftreibungsbereich jeweils einen störungsfreien Übergang, der in 8 deutliche Störsignale aufweist. Obwohl die dargestellte Kurve des aktiv gesteuerten Systems insbesondere in den Übergängen zwischen Gleit- und Haftreibungsbereich nicht deckungsgleich mit der Idealkurve 30 ist, werden die Ziele der Regelung dennoch erreicht. Außerhalb des Intervallbereichs zwischen Ω1 und Ω2 (vgl. 5) kommt es zu einer Haftreibung und damit zwischen der Dämpfermasse und der Reibfläche zu keiner gleitender Relativbewegung; es wird dementsprechend dort keine Energie dissipiert.The ideal curve calculated according to 4 shows a trouble-free transition in the transitions between the sliding and static friction areas, which in 8th has clear interference signals. Although the curve shown for the actively controlled system is not congruent with the ideal curve 30, particularly in the transitions between the sliding and static friction areas, the goals of the control are still achieved. Outside the interval range between Ω 1 and Ω 2 (cf. 5 ) there is static friction and therefore no sliding relative movement between the damper mass and the friction surface; Accordingly, no energy is dissipated there.

9a bis d zeigen beispielhafte Ausgestaltungen der vorzugsweise über die vorgenannten Parameter Δl einstellbare Anpresskraft der Belastungsvorrichtungen der Reibflächen gegen die Dämpfermasse im Schwingungsdämpfers. 9a until d show exemplary embodiments of the contact pressure of the loading devices of the friction surfaces against the damper mass in the vibration damper, which can preferably be adjusted via the aforementioned parameters Δl.

9a zeigt eine erste Ausgestaltung mit einem Piezoaktor 31, der in einer zweitgeteilten Dämpfermasse 3 eingesetzt ist und die beiden auf den mittleren Bereich 10 der Reibfläche drückende Gegenflächen in ihrem Abstand zueinander und damit die Anpresskraft veränderbar ausgestaltet. Der Piezoaktor ist das Stellglied zur Einstellung der Anpresskraft und damit von Ω1 und Ω2 sowie der Übergänge zwischen Gleit- und Haftreibung. Die Aus-gestaltung zeichnet sich durch eine besonders hohe Steifigkeit aus, womit sich auch besonders hohe Kräfte erzeugen lassen. Die zweigeteilte Dämpfermasse verkompliziert jedoch dessen Schwingungsverhalten, grundsätzlich. 9a shows a first embodiment with a piezo actuator 31, which is inserted in a two-part damper mass 3 and the distance between the two countersurfaces pressing on the central region 10 of the friction surface and thus the contact pressure is designed to be variable. The piezo actuator is the actuator for adjusting the contact force and thus Ω 1 and Ω 2 as well as the transitions between sliding and static friction. The design is characterized by a particularly high level of rigidity, which means that particularly high forces can be generated. The two-part one However, damper mass fundamentally complicates its vibration behavior.

9b zeigt eine zweite Ausgestaltung mit einem Pieozaktor 31, der abseits einer bevorzugt einteiligen Dämpfermasse 3 angeordnet ist. Die Dämpfermasse muss nicht mehr geteilt werden. Der Piezoaktor dient der zusätzlichen Belastung der Reibflächen zu den Gegenflächen. Es wird vorgeschlagen, den Piezoaktor wie dargestellt als Hohlzylinder mit Zugankern zu gestalten, sodass er bei einer Ausdehnung ein Zusammenziehen der Armelemente 9 und damit eine Erhöhung der Anpresskraft auf die Dämpfermasse 3 bewirkt. 9b shows a second embodiment with a pieoz actuator 31, which is arranged away from a preferably one-piece damper mass 3. The damper mass no longer needs to be divided. The piezo actuator is used to place additional load on the friction surfaces compared to the counter surfaces. It is proposed to design the piezo actuator as shown as a hollow cylinder with tie rods, so that when it expands, it causes the arm elements 9 to contract and thus increase the contact force on the damper mass 3.

Alternative Ausgestaltungen sehen Magnete zur Vorspannungsänderung vor. 9c repräsentiert eine solche alternative Ausgestaltung mit einem elektromagnetischen Aktor 32 in serieller Verschaltung mit einem Permanentmagneten 33 anstelle eines Piezoaktors gemäß 9b. Für eine Änderung der Vorspannung sind vorzugsweise zwei (oder mehrere) Magnete zum Einsatz erforderlich, wobei mindestens einer als regelbarer Elektromagnet ist. Über die an jenem anlegbare elektrische Spannung wird die Anpresskraft moduliert. Weitere Ausgestaltungen sehen vor, die Position der Magnete zu vertauschen oder den Permanentmagnet durch einen zweiten Elektromagnet zu ersetzen.Alternative configurations provide magnets for changing the preload. 9c represents such an alternative embodiment with an electromagnetic actuator 32 in series connection with a permanent magnet 33 instead of a piezo actuator according to 9b . To change the bias voltage, two (or more) magnets are preferably required to be used, with at least one being a controllable electromagnet. The contact force is modulated via the electrical voltage that can be applied to it. Further refinements provide for the position of the magnets to be swapped or the permanent magnet to be replaced by a second electromagnet.

Alternativ lässt sich - wie beispielhaft in 9d dargestellt - die Anpresskraft der Reibflächen auf das Dämpferelement 3 über die Armelemente 9 mit Hilfe von Seilelementen 34 und mehrere Umlenkrollen 35 regulieren. Die Seilelemente lassen sich durch eine motorische Seilwinde 36 als Stellglied in ihrer Länge und Zugspannung verändern. Der Einsatz mehrerer über die Armelemente verteilter Umlenkrollen sorgt für ein gleichmäßiges Aufbringen einer Kraft und wirkt einem Verkippen der Reibflächen entgegen.Alternatively - as exemplified in 9d shown - regulate the contact pressure of the friction surfaces on the damper element 3 via the arm elements 9 with the help of cable elements 34 and several deflection rollers 35. The length and tension of the cable elements can be changed using a motorized cable winch 36 as an actuator. The use of several deflection rollers distributed over the arm elements ensures that force is applied evenly and counteracts tilting of the friction surfaces.

Zur Verstellbarkeit der Anstellwinkel α der Steigungsbereiche einer Reibfläche werden zwei in 10a und b dargestellten Konzepte vorgeschlagen. Dargestellt sind jeweils ein Armelement 9 mit einer Reibfläche 12 mit einem ortsfesten inneren Bereich 11 und beidseitig davon zwei randseitige Steigungsbereiche 8, die über elastische Biegeelemente 37 mit dem mittleren Bereich verbunden sind. Vorzugsweise sind die Oberflächenbereiche der elastischen Biegeelemente zwischen dem inneren Bereich und der randseitigen Steigungsbereiche wie dargestellt Teil der Reibfläche.To adjust the angle of attack α of the slope areas of a friction surface, two in 10a and b suggested concepts. Shown are an arm element 9 with a friction surface 12 with a stationary inner region 11 and on both sides of it two edge-side slope regions 8, which are connected to the central region via elastic bending elements 37. Preferably, the surface areas of the elastic bending elements between the inner area and the edge-side slope areas are part of the friction surface, as shown.

Eine in 10a dargestellte erste Ausgestaltung sieht zwei gegenläufige Schraubenantriebe 38, vorzugsweise über einem gemeinsamen motorischen Antrieb 39 angetrieben, für je eines der Steigungsbereich für deren Anstellwinkeleinstellung vor. Die beiden Schrauben sind in Innengewinde in den Armelementen 9 eingesetzt und greifen jeweils über ein Kugelgelenk 40 unter die randseitigen Steigungsbereiche. Durch eine Drehung der Schraube erfolgt zugleich deren axiale Verschiebung und damit eine Verstellung des Anstellwinkels. Die Schraubendrehung erfolgt in der dargestellten Ausführungsform mittels einer axialen Verschiebung von einer Zahnstange 41, die in den als Zahnrad 42 ausgestalteten Schraubenkopf eingreift. Der motorische Antrieb treibt einen fest mit der Zahnstange verbundenen Spindelantrieb 43 an. Diese Ausführungsform repräsentiert einen Positionierantrieb mit einer exakten Führung der Steigungsbereiche in beiden Verfahrrichtungen, d.h. zusätzliche Mittel für eine Erzeugung einer der Verstellkraft entgegenwirkenden Gegenkraft sind nicht erforderlich. Ein besonderer Vorteil dabei liegt in der hohen Positionssteifigkeit der angestellten randseitigen Steigungsbereiche auch gegenüber höherer AnpresskräfteOne in 10a The first embodiment shown provides two counter-rotating screw drives 38, preferably driven via a common motor drive 39, for each of the pitch ranges for their angle of attack adjustment. The two screws are inserted into internal threads in the arm elements 9 and each engage under the edge slope areas via a ball joint 40. By rotating the screw, it is axially displaced and the angle of attack is adjusted. In the embodiment shown, the screw rotation takes place by means of an axial displacement of a rack 41, which engages in the screw head designed as a gear 42. The motor drive drives a spindle drive 43 that is firmly connected to the rack. This embodiment represents a positioning drive with precise guidance of the pitch areas in both travel directions, ie additional means for generating a counterforce that counteracts the adjustment force are not required. A particular advantage lies in the high positional rigidity of the edge slope areas, even in the face of higher contact pressures

Eine in 10b dargestellte zweite Ausgestaltung sieht für eine Verstellung des Anstellwinkels eine Seilwinde 36 für zwei Seilelemente 34 vor, die über Umlenkrollen 35 an zwei Kugelgelenke 40 unter den randseitigen Steigungsbereichen 8 angreifen und nach unten hin angreifen. Da die Seilelemente naturgemäß biegeschlaff sind, eignen sie sich nur für eine Übertragung einer Zugkraft. Eine hierfür erforderliche Gegenkraft wird durch vorgespannte elastische Biegeelemente 37 und/oder durch eingesetzte Rückholdrehfedern 44 erzeugt. Dabei muss die Gegenkraft über die Anpresskraft, erzeugt durch das sekundäre Federelement (10, vgl. 3, 4a, 4b sowie 9a bis d), dominieren, da es ansonsten zu einem unerwünschten Herunterdrücken der randseitigen Steigungsbereiche hin zu den Armelementen 9 kommt.One in 10b The second embodiment shown provides for an adjustment of the angle of attack a cable winch 36 for two cable elements 34, which engage via deflection rollers 35 on two ball joints 40 under the edge slope areas 8 and attack downwards. Since the rope elements are naturally slack, they are only suitable for transmitting a tensile force. A counterforce required for this is generated by prestressed elastic bending elements 37 and/or by inserted return torsion springs 44. The counterforce must be via the contact force generated by the secondary spring element (10, cf. 3 , 4a , 4b as well as 9a to d), dominate, since otherwise the edge slope areas will be pushed down undesirably towards the arm elements 9.

Vorzugsweise sind alle Reibflächen einschließlich der ggf. vorhandenen randseitigen Steigungsbereiche eines Schwingungsdämpfers sowie die Gegenflächen auf der Dämpfermasse in ihren geometrischen Abmessungen zueinander identisch und um die Dämpfermasse angeordnet. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine vorzugsweise uniaxiale Führung der Dämpfermasse im Schwingungsdämpfer in nur einem Bewegungsfreiheitsgrad. Reibflächen und Gegenflächen sind vorzugsweise symmetrisch um diesen Bewegungsfreiheitsgrad angeordnet.Preferably, all friction surfaces, including any edge slope areas of a vibration damper as well as the countersurfaces on the damper mass, are identical to one another in their geometric dimensions and are arranged around the damper mass. This advantageously results in a preferably uniaxial guidance of the damper mass in the vibration damper in only one degree of freedom of movement. Friction surfaces and countersurfaces are preferably arranged symmetrically about this degree of freedom of movement.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Dämpfermasse selbst kugelförmig, zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest im Bereich der Gegenflächen. Die Gegenflächen werden weiter bevorzugt durch die Oberflächen der Dämpfermassen rotationssymmetrisch um den Bewegungsfreiheitsgrad gebildet.In a preferred embodiment, the damper mass itself is spherical, at least partially, preferably at least in the area of the counter surfaces. The counter surfaces are further preferably formed by the surfaces of the damper masses in a rotationally symmetrical manner about the degree of freedom of movement.

Weiter bevorzugt sind randseitigen Steigungsbereiche und die ggf. vorhandenen Biegeelemente einer jeden Reibfläche beidseitig symmetrisch um den inneren Bereich ausgestaltet.Further preferably, the edge slope areas and any bending elements of each friction surface are designed symmetrically on both sides around the inner area.

Vorzugsweise erfolgt auch eine Einstellung oder Verstellung des Anstellwinkels α aller randseitigen Steigungsbereiche, d.h. auch aller Reibflächen eines Schwingungsdämpfers synchron zueinander, vorzugsweise in einer einheitlichen Verstellbarkeit der Anstellwinkel α.Preferably, an adjustment or adjustment of the angle of attack α of all edge-side slope areas, i.e. also all friction surfaces of a vibration damper, is carried out synchronously with one another, preferably with a uniform adjustability of the angle of attack α.

Die Erfindung schließt jedoch grundsätzlich auch andere Ausgestaltungen mit ein, insbesondere Ausführungen mit gruppenweiser oder individueller Ein- und Verstellbarkeit der Anstellwinkel α der Randbereiche der Reibfläche. Eine bevorzugte gruppenweise Ein- und Verstellbarkeit sieht eine synchrone quantitative Veränderung des Anstellwinkels der Randbereiche vor, die bei einer Verschiebung der Dämpfermasse über den Reibflächen zeitgleich überfahren werden.However, the invention basically also includes other configurations, in particular designs with group or individual adjustment and adjustability of the angle of attack α of the edge regions of the friction surface. A preferred group-wise setting and adjustability provides for a synchronous quantitative change in the angle of attack of the edge areas, which are passed over at the same time when the damper mass is displaced over the friction surfaces.

11a und b zeigen zwei weitere Beispiele, die Ausgestaltungen repräsentieren, bei denen die Reibflächen des Schwingungsdämpfers auf einer tragenden Struktur 45 aufgesetzt sind, vorzugsweise flächig auf oder in diese auf- oder eingeklebt werden. Die elastischen Biegeelemente 37 sind dabei Teil dieser tragenden Strukturen und nicht der Reibfläche, wobei die Ein- und Verstellung der Anstellwinkel der randseitigen Steigungsbereiche 8 über die tragenden Strukturen in diesen Beispielen vorzugsweise, aber nicht zwingend, mittels gegenläufiger Schraubenantriebe, wie sie zuvor anhand von 10a im Detail beschrieben sind, erfolgt. Die randseitigen Steigungsbereiche sind steife Elemente und als Ganzes kippbar. 11a zeigt randseitige Steigungsbereiche, die abgesehen von einem Übergangsbereich zum mittleren Bereich 11 hin eben sind und deren die Ein- und Verstellung der Anstellwinkel als Ganzes kippbar ist. 11b zeigt die gleiche Anordnung, bei der jedoch die randseitigen Steigungsbereiche 8 durch konkave randseitigen Steigungsbereiche 46 ohne einen einheitlichen und vorzugsweise zum Reibflächenrand zunehmenden Steigungswinkel gebildet werden, die vorzugsweise in sich steif ausgestaltet als Ganzes kippbar sind. 11a and b show two further examples that represent embodiments in which the friction surfaces of the vibration damper are placed on a supporting structure 45, preferably glued flat onto or into it. The elastic bending elements 37 are part of these supporting structures and not the friction surface, with the setting and adjustment of the angle of attack of the edge-side slope regions 8 via the supporting structures in these examples preferably, but not necessarily, by means of counter-rotating screw drives, as previously shown using 10a are described in detail. The edge slope areas are rigid elements and can be tilted as a whole. 11a shows edge slope areas which, apart from a transition area to the central area 11, are flat and whose setting and adjustment of the angle of attack can be tilted as a whole. 11b shows the same arrangement, in which, however, the edge-side slope regions 8 are formed by concave edge-side slope regions 46 without a uniform pitch angle which preferably increases towards the edge of the friction surface, which are preferably designed to be rigid and can be tilted as a whole.

Die in 11a und b dargestellten Beispiele repräsentieren ferner Ausgestaltungen, bei denen die Reibfläche durch unterschiedliche Reibflächensegmente vorzugsweise mit unterschiedlichen Materialoberflächen gebildet werden. Vorzugsweise sind der Reibkoeffizient der Reibpaarung zwischen dem mittleren Bereich zur Gegenfläche deutlich geringer eingestellt als der der Reibpaarung zwischen den randseitigen Steigungsbereichen zur Gegenfläche. Dies bewirkt zusammen mit dem Anstellwinkel in vorteilhafter Weise eine signifikant erhöhte Reibung und damit Dämpfung bei größeren Schwingungsamplituden dann, wenn die Gegenfläche in die randseitigen Steigungsbereiche hineinschwingt. Es kommt zu einer ausgeprägten Energiedissipation selektiv nur in den Schwingungsmaxima, d.h. den oberen Bereichen des Schwingungskurvenverlaufs, während bei einer deutlich geringeren Reibung beim Durchschwingen durch den mittleren Bereich deutlich weniger Reibung und damit Dämpfung vorliegt. Auch kleine Schwingungsamplituden, bei denen die Gegenfläche durch den Schwingungskurvenverlauf die randseitigen Steigungsbereiche erst gar nicht erreicht wird, erfahren dagegen nur eine geringere Reibung und Dämpfung und damit nur eine geringe Energiedissipation.In the 11a and b further represent embodiments in which the friction surface is formed by different friction surface segments, preferably with different material surfaces. Preferably, the coefficient of friction of the friction pairing between the central area to the counter surface is set to be significantly lower than that of the friction pairing between the edge slope areas to the counter surface. This, together with the angle of attack, advantageously causes significantly increased friction and thus damping at larger vibration amplitudes when the counter surface swings into the edge slope areas. There is a pronounced energy dissipation selectively only in the oscillation maxima, ie the upper regions of the oscillation curve, while with a significantly lower friction when swinging through the middle region there is significantly less friction and thus damping. Even small vibration amplitudes, in which the counter surface does not even reach the edge slope areas due to the oscillation curve, only experience lower friction and damping and thus only low energy dissipation.

Die Reibfläche oder Teile davon müssen bei der in 11a und b dargestellten Ausgestaltung nicht zwangsläufig flächig an die tragende Struktur fixiert werden. Vielmehr eröffnet eine optional vorgesehene Relativbewegung zwischen der Reibfläche und tragende Struktur zusätzliche Reibung und führt damit zu einer höheren Energiedissipation im Schwingungsdämpfer.The friction surface or parts of it must be in 11a and b shown embodiment are not necessarily fixed flat to the supporting structure. Rather, an optionally provided relative movement between the friction surface and the supporting structure opens up additional friction and thus leads to a higher energy dissipation in the vibration damper.

Literatur:Literature:

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  • [8] Tan, A. S., Aramendiz, J., Ross, K. H., Sattel, T., & Fidlin, A. Comparative study between dry friction and electrorheological fluid switches for tuned vibration absorbers. J. Sound and Vibration, 460, 114874 (2019).[8th] Tan, AS, Aramendiz, J., Ross, KH, Sattel, T., & Fidlin, A. Comparative study between dry friction and electrorheological fluid switches for tuned vibration absorbers. J. Sound and Vibration, 460, 114874 (2019).

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
zu beruhigende Masse, m1 to calm mass, m 1
22
mechanische Feder, c1 mechanical spring, c 1
33
Dämpfermasse, m2 Damper mass, m 2
44
primäres Federelement, c2 primary spring element, c 2
55
Dämpfungsmitteldampening agent
66
trockenes Reibungselementdry friction element
77
ReibungskupplungFriction clutch
88th
randseitiger Steigungsbereichedge slope area
99
ArmelementArm element
1010
sekundäres Federelement, c3 secondary spring element, c 3
1111
mittlerer Bereichmiddle area
1212
Reibflächefriction surface
1313
haftende Systemdynamikadherent system dynamics
1414
gleitende Systemdynamiksliding system dynamics
1515
erster Resonanzpeak (bei haftender Systemdynamik)first resonance peak (with persistent system dynamics)
1616
zweite Resonanzpeaks (bei gleitender Systemdynamik)second resonance peaks (with sliding system dynamics)
1717
IdealkurveIdeal curve
1818
mechanisches Systemmechanical system
1919
FrequenzidentifikationsmodulFrequency identification module
2020
Steuer- oder RegeleinheitControl or regulating unit
2121
StellsignalControl signal
2222
Stellgliedactuator
2323
Schwingungssignals X2(t)Vibration signal X 2 (t)
2424
N PunkteN points
2525
ZeitachseTimeline
2626
Fast Fourier Transformation (FFT)Fast Fourier Transform (FFT)
2727
Identifizierungidentification
2828
Amplitudengang über die Frequenz bei HaftreibungAmplitude response over frequency with static friction
2929
Amplitudengang über die Frequenz bei GleitreibungAmplitude response over frequency with sliding friction
3030
Idealkurve (mit Übergangsstörungen zwischen Gleit- und Haftreibung)Ideal curve (with transitional disturbances between sliding and static friction)
3131
PiezoaktorPiezo actuator
3232
elektromagnetischer Aktorelectromagnetic actuator
3333
PermanentmagnetPermanent magnet
3434
SeilelementRope element
3535
Umlenkrollepulley
3636
SeilwindeWinch
3737
Biegeelementbending element
3838
SchraubenantriebScrew drive
3939
motorischen Antriebmotor drive
4040
KugelgelenkBall joint
4141
ZahnstangeRack
4242
Zahnradgear
4343
SpindelantriebSpindle drive
4444
RückholdrehfederReturn torsion spring
4545
tragende Struktursupporting structure
4646
konkaver randseitiger Steigungsbereichconcave edge slope area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102010021634 A1 [0067]DE 102010021634 A1 [0067]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Claims (19)

Schwingungsdämpfer mit frequenzabhängiger Regelung auf einem mechanischen System (1, 2), umfassend a) Dämpfungsmittel (5) zwischen dem mechanischen System (1, 2) und einer Dämpfermasse (3), wobei b) die Dämpfungsmittel eine auf dem mechanischen System befestigten Reibungskupplung mit mindestens einer auf die Dämpfermasse wirkende Reibfläche (12) umfassen, wobei die Anpresskraft zwischen der mindestens einen Reibfläche und der Dämpfermasse in ihrer Kraftstärke einstellbar und/ oder regelbar ist.Vibration damper with frequency-dependent control on a mechanical system (1, 2), comprising a) Damping means (5) between the mechanical system (1, 2) and a damper mass (3), where b) the damping means comprise a friction clutch fastened on the mechanical system with at least one friction surface (12) acting on the damper mass, the force of the contact pressure between the at least one friction surface and the damper mass being adjustable and/or controllable. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein primäres Federelement (4) zwischen dem mechanischen System (1, 2) und der Dämpfermasse (3) vorgesehen ist.Vibration damper Claim 1 , characterized in that a primary spring element (4) is provided between the mechanical system (1, 2) and the damper mass (3). Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein sekundäres Federelement (10) zur Erzeugung der Anpresskraft vorgesehen ist.Vibration damper Claim 1 or 2 , characterized in that a secondary spring element (10) is provided to generate the contact pressure. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Federelement (10) in seiner Vorspannung und/oder in seiner Federweglänge einstellbar ist, wobei die Vorspannung und/oder die Federweglänge des sekundären Federelements durch Stellmittel (31-36, 38-44) einstellbar ist.Vibration damper Claim 3 , characterized in that the secondary spring element (10) is adjustable in its preload and/or in its spring travel length, the preload and/or the spring travel length of the secondary spring element being adjustable by adjusting means (31-36, 38-44). Schwingungsdämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmittel in der Dämpfermasse (3) angeordnet und geeignet sind, die den Reibflächen (12) zugewandten Oberflächen der Dämpfermasse zu- und/oder voneinander zu bewegen.Vibration damper Claim 4 , characterized in that the adjusting means are arranged in the damper mass (3) and are suitable for moving the surfaces of the damper mass facing the friction surfaces (12) towards and/or from one another. Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkupplung zumindest zwei auf dem mechanischen System (1, 2) angeordnete Armelemente (9) aufweist, die um die Dämpfermasse (3) herum angeordnet sind und durch das sekundäre Federelement (10) unter Einklemmung der Dämpfermasse elastisch gegeneinandergedrückt werden.Vibration damper according to one of the Claims 3 until 5 , characterized in that the friction clutch has at least two arm elements (9) arranged on the mechanical system (1, 2), which are arranged around the damper mass (3) and are pressed elastically against each other by the secondary spring element (10) while clamping the damper mass . Schwingungsdämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmittel (31-36, 38-44) an den Armenelementen (9) angebunden sind und geeignet sind, die Reibflächen (12) zu- und/oder voneinander zu bewegen.Vibration damper Claim 6 , characterized in that the adjusting means (31-36, 38-44) are connected to the arm elements (9) and are suitable for moving the friction surfaces (12) towards and/or from one another. Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmittel (31-36, 38-44) magnetische, piezoelektrische oder motorische Aktoren umfassen.Vibration damper according to one of the Claims 4 until 7 , characterized in that the adjusting means (31-36, 38-44) comprise magnetic, piezoelectric or motor actuators. Schwingungsdämpfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfermasse (3) durch Führungselemente für jeweils nur einen Bewegungsfreiheitsgrad geführt sind.Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that the damper mass (3) is guided by guide elements for only one degree of freedom of movement. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement für die Dämpfermasse (3) die mindestens eine Reibfläche (12) umfasst.Vibration damper Claim 9 , characterized in that the guide element for the damper mass (3) comprises at least one friction surface (12). Schwingungsdämpfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsfreiheitsgrade für die Dämpfermasse (3) und des mechanischen Systems (1, 2) fluchtend zueinander angeordnet sind oder sich in ihrer Ausrichtung maximal 30° voneinander unterscheiden.Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that the degrees of freedom of movement for the damper mass (3) and the mechanical system (1, 2) are arranged in alignment with one another or differ from one another in their orientation by a maximum of 30°. Schwingungsdämpfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Reibfläche (12) um einen mittleren Bereich (11) um eine Position der Dämpfermasse (3) bei entspannter mechanischer Feder (2) einseitig oder beidseitig randseitige Steigungsbereiche (8) aufweist.Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one friction surface (12) has edge slope regions (8) on one or both sides around a central region (11) around a position of the damper mass (3) when the mechanical spring (2) is relaxed. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die randseitigen Steigungsbereiche (8) in ihrer Steigung elastisch nachgiebig sind.Vibration damper Claim 12 , characterized in that the edge slope areas (8) are elastically flexible in their slope. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die randseitigen Steigungsbereiche (8) über elastische Biegeelemente (37) mit dem mittleren Bereich (11) verbunden sind und zusammen eine durchgehende Oberfläche bilden.Vibration damper Claim 12 or 13 , characterized in that the edge slope areas (8) are connected to the central area (11) via elastic bending elements (37) and together form a continuous surface. Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die randseitigen Steigungsbereiche (8) in ihrer Steigung verstellbar sind.Vibration damper according to one of the Claims 12 until 14 , characterized in that the slope areas (8) on the edge are adjustable in their slope. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung motorisch verstellbar ist.Vibration damper Claim 15 , characterized in that the incline is motor-adjustable. Schwingungsdämpfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messaufnehmer zur Erfassung einer Frequenz am mechanischen System (1, 2) sowie eine Steuer- oder Regeleinheit zur Wandlung der erfassten Frequenz zu mindestens einem Stellsignal für die verstellbare Reibungskupplung vorgesehen ist.Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that a measuring sensor is provided for detecting a frequency on the mechanical system (1, 2) and a control or regulating unit for converting the detected frequency into at least one control signal for the adjustable friction clutch. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer piezoelektrische, piezoresistive Messaufnehmer, aufgesetzt auf, an oder über einer zu beruhigende Masse des mechanischen Systems, und/oder induktive, kapazitive oder optische Messaufnehmer beabstandet zur zu beruhigenden Masse umfasst.Vibration damper Claim 17 , characterized in that the measuring sensor comprises piezoelectric, piezoresistive measuring sensors, placed on, on or above a mass of the mechanical system to be calmed, and / or inductive, capacitive or optical measuring sensors spaced from the mass to be calmed. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmittel (5) zwischen dem mechanischen System (1, 2) und einer Dämpfermasse (3) mit dem Messaufnehmer (19), die Steuer- und Regeleinheit (20) sowie der Reibungskupplung Teil eines geschlossenen Steuerkreises sind.Vibration damper Claim 17 or 18 , characterized in that the damping means (5) between the mechanical system (1, 2) and a damper mass (3) with the sensor (19), the control and regulation unit (20) and the friction clutch are part of a closed control circuit.
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