DE10246218B4

DE10246218B4 - Rotating component with an arrangement for reducing vibrations

Info

Publication number: DE10246218B4
Application number: DE2002146218
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Wölfel H.-P.; Dipl.-Ing. Horst H.-G.
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2022-10-05
Also published as: WO2004033932A1; AU2003280348A1; DE10246218A1

Abstract

Rotierendes Bauelement (1) mit einer Anordnung zur Reduzierung von Schwingungen des Bauelements (1), die mindestens ein piezoelektrisches Element (7–10) und eine Ansteuereinrichtung (14) aufweist, wobei das piezoelektrische Element (7–10) als Flächenelement ausgebildet ist und im Bereich einer Oberfläche des Bauelements (1) angeordnet und mit dem Bauelement (1) verbunden ist, wobei die piezoelektrischen Elemente (7–10) durch die Ansteuereinrichtung (14) in zwei orthogonal zueinander stehenden Wirkrichtungen ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (14) bei einer statischen Unwucht ein statisches Ansteuerungssignal erzeugt, wobei eine statische Durchbiegung einstellbar ist.Rotating component (1) with an arrangement for reducing vibrations of the component (1), which has at least one piezoelectric element (7-10) and a control device (14), the piezoelectric element (7-10) being designed as a flat element and is arranged in the area of a surface of the component (1) and connected to the component (1), wherein the piezoelectric elements (7-10) can be controlled by the control device (14) in two orthogonal effective directions, characterized in that the control device (14) generates a static control signal in the event of a static imbalance, with a static deflection being adjustable.

Description

Die Erfindung betrifft ein rotierendes Bauelement mit einer Anordnung zur Reduzierung von Schwingungen des Bauelements, die mindestens ein piezoelektrisches Element und eine Ansteuereinrichtung aufweist, wobei das piezoelektrische Element als Flächenelement ausgebildet ist und im Bereich der Oberfläche des Bauelements angeordnet und mit dem Bauelement verbunden ist, wobei die piezoelektrischen Elemente durch die Ansteuereinrichtung in zwei orthogonal zueinander stehenden Wirkrichtungen ansteuerbar sind.The invention relates to a rotating component having an arrangement for reducing vibrations of the component, which has at least one piezoelectric element and a drive device, wherein the piezoelectric element is formed as a surface element and disposed in the region of the surface of the component and connected to the device, wherein the piezoelectric elements can be controlled by the control device in two mutually orthogonal effective directions.

Das piezoelektrische Element weist also eine Dicke auf, die wesentlich kleiner ist als die Erstreckung in Axialrichtung des Bauelements und in Umfangsrichtung. Die Abmessungen des Bauelements verändern sich durch den Zusatz des piezoelektrischen Elements nur unwesentlich. Dadurch wird eine Anwendung auch bei vorhandenen Bauelementen möglich, ohne daß eine aufwendige Neukonstruktion nötig ist. Die flächige Verbindung des piezoelektrischen Elements mit dem Bauelement hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Kraftübertragung von dem piezoelektrischen Element auf das Bauelement nicht nur in einem relativ kurzen axialen Abschnitt erfolgt, sondern über nahezu die gesamte Erstreckung des piezoelektrischen Elements. Dadurch wird die Durchbiegung des Bauelements auf einen größeren axialen Bereich verteilt, d. h. es entsteht keine ”Knickwirkung”, die sich negativ auf das Betriebsverhalten des Bauelements auswirken könnte. Da die piezoelektrischen Elemente durch die Ansteuereinrichtung in zwei orthogonal zueinander stehenden Wirkrichtungen ansteuerbar sind, ist es möglich, eine Durchbiegung des Bauteils nicht nur in einer Richtung zu erreichen, sondern in beliebige Richtungen. Die resultierende Richtung entsteht durch die Resultierende der Wirkungen der piezoelektrischen Elemente, also durch eine Vektoraddition.The piezoelectric element thus has a thickness which is substantially smaller than the extent in the axial direction of the component and in the circumferential direction. The dimensions of the component change only insignificantly by the addition of the piezoelectric element. As a result, an application is possible even with existing components without a costly redesign is necessary. The planar connection of the piezoelectric element with the component also has the advantage that the transmission of force from the piezoelectric element to the component takes place not only in a relatively short axial section, but over almost the entire extension of the piezoelectric element. As a result, the deflection of the component is distributed over a larger axial area, i. H. there is no "kink effect" that could negatively impact the performance of the device. Since the piezoelectric elements can be controlled by the control device in two mutually orthogonal effective directions, it is possible to achieve a deflection of the component not only in one direction, but in any direction. The resulting direction results from the resultant of the effects of the piezoelectric elements, that is, by a vector addition.

Aus US 6 012 333 ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Schwingungen eines rotierenden Objektes, wie zum Beispiel Antriebswellen und Propellerwellen, bekannt. Diese Vorrichtung weist mindestens ein piezoelektrische Element auf, das im Bereich der Oberfläche der Welle angeordnet und mit der Welle verbunden ist. In einem Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Elemente in zwei orthogonal zueinander stehenden Wirkrichtungen ansteuerbar. Bei diesem Beispiel sind die piezoelektrische Elemente so angeordnet, daß sie Torsionsschwingungen dämpfen können. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind zwei Paar einander gegenüberliegende piezolektrische Elemente vorgesehen, wobei ein Paar orthogonal zum anderen Paar am Umfang der Welle angeordnet ist. Über Kupferelektroden, die am piezoelektrische Element angebracht sind, können Spannungen abgegriffen oder eingebracht werden. Durch Vibrationen der Welle werden die piezoelektrische Elemente gestaucht oder gedehnt und erzeugen so eine elektrische Spannung. Diese Spannung wird nun so wieder an die piezoelektrischen Elemente angelegt, daß aufgrund des reziproken piezoelektrischen Effekts eine Dämpfung der Schwingung erfolgt. Dabei ist auch vorgesehen, zusätzliche Energie in das System einzubringen, indem diese Spannungen mit Hilfe einer zusätzlichen Energiequelle, wie zum Beispiel einer Batterie, erhöht werden. Möglich ist dabei auch, diese Spannungen nur durch eine externe Energiequelle zu erzeugen, wobei dabei ein Schwingungssensor benötigt wird. Der Schwingungssensor wird dabei auf der Welle plaziert.Out US Pat. No. 6,012,333 For example, a device for controlling the vibrations of a rotating object, such as drive shafts and propeller shafts, is known. This device has at least one piezoelectric element, which is arranged in the region of the surface of the shaft and connected to the shaft. In one embodiment, the piezoelectric elements are drivable in two mutually orthogonal effective directions. In this example, the piezoelectric elements are arranged so that they can damp torsional vibrations. In another embodiment, two pairs of opposed piezoelectric elements are provided, with one pair orthogonal to the other pair on the circumference of the shaft. Via copper electrodes, which are attached to the piezoelectric element, voltages can be tapped or introduced. By vibrations of the shaft, the piezoelectric elements are compressed or stretched and thus generate an electrical voltage. This voltage is then applied to the piezoelectric elements again so that due to the reciprocal piezoelectric effect, a damping of the vibration takes place. It is also envisaged to introduce additional energy into the system by increasing these voltages with the aid of an additional energy source, such as a battery. It is also possible to generate these voltages only by an external energy source, in which case a vibration sensor is needed. The vibration sensor is placed on the shaft.

WO 97/03832 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung von Biegeschwingungen von rotierenden Systemen, insbesondere von rotierenden Walzen. Durch Unwuchten erzeugte Schwingungen werden gemessen und anhand dieser Messwerte werden Aktuatoren angesteuert, die die Schwingungen aktiv unterdrücken sollen. Dabei soll eine Schwingungsminderung besonders wirksam sein, wenn der Aktuator möglichst dicht am Entstehungsort der Schwingungen wirkt. WO 97/03832 describes a method and apparatus for reducing flexural vibration of rotating systems, particularly rotating rollers. Vibrations generated by imbalances are measured and actuators, which should actively suppress the oscillations, are activated on the basis of these measured values. In this case, a vibration reduction should be particularly effective when the actuator acts as close as possible to the origin of the vibrations.

Aus DE 199 30 055 A1 ist eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle und eine Fahrzeugkomponente mit integriertem Schwingungsdämpfer bekannt. Ein Piezoelement ist in Folienform auf eine Welle aufgebracht. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes ist bei einer Biegung der Welle aufgrund auftretender Schwingungen am Piezoelement eine Spannung abgreifbar. Diese Spannung wird beispielsweise in einem RCL-Element abgebaut. Die mechanische Energie, die das Verformen des Piezoelements bewirkt, wird also erst in elektrische Energie umgewandelt und dann in Form von thermischer Energie aus dem System herausgeführt.Out DE 199 30 055 A1 a device for damping vibrations on a rotating shaft and a vehicle component with integrated vibration damper is known. A piezo element is applied in foil form to a shaft. Due to the piezoelectric effect, a voltage can be tapped at a bending of the shaft due to vibrations occurring at the piezoelectric element. This voltage is broken down, for example, in an RCL element. The mechanical energy that causes the deformation of the piezo element is thus first converted into electrical energy and then led out of the system in the form of thermal energy.

Ein weiteres Bauelement ist aus DE 199 63 945 C1 bekannt. Das rotierende Bauelement, beispielsweise ein Zylinder einer Rotationsdruckmaschine, weist im Bereich seiner axialen Mitte eine umlaufende Nut auf, in die piezoelektrische Elemente eingesetzt sind. Die piezoelektrischen Elemente erfahren bei Anlegen einer Spannung eine Längenänderung, die zu einer Durchbiegung des Bauelements führt. Diese Durchbiegungen wirken einer Schwingungserregung entgegen.Another component is off DE 199 63 945 C1 known. The rotating component, for example a cylinder of a rotary printing press, has a circumferential groove in the region of its axial center, into which piezoelectric elements are inserted. When a voltage is applied, the piezoelectric elements undergo a change in length, which leads to a bending of the component. These deflections counteract a vibration excitation.

Eine derartige Lösung ist bei Bauelementen, die einen geringeren Durchmesser aufweisen, im Prinzip nur schwer zu realisieren. Die Anordnung der piezoelektrischen Elemente im Innern des Bauelements würde zu einer erheblichen Schwächung führen. Zusätzlich ergeben sich Festigkeitsprobleme aufgrund von Kerbwirkungen.Such a solution is in fact difficult to implement for components which have a smaller diameter. The arrangement of the piezoelectric elements inside the device would lead to a significant weakening. In addition, strength problems arise due to notch effects.

Schwingungen rotierender Bauelemente, die durch Unwuchten entstehen, können durch bekannte Verfahren der Auswuchttechnik reduziert werden. Eine vollständige Auswuchtung ist jedoch technisch in der Regel nicht möglich. Die verbleibenden Restunwuchten führen insbesondere bei hohen Drehzahlen zu problematischen Schwingungen, so daß Resonanzstellen unter Umständen nicht mehr schadlos durchfahren werden können. Zudem können durch Auswuchten auch keine anderen Erregungsmechanismen, z. B. Erregungen aus dynamischen Prozeßkräften oder Selbsterregungen gemindert werden. Vibrations of rotating components caused by imbalances can be reduced by known methods of balancing technology. However, complete balancing is technically usually not possible. The remaining residual imbalances lead to problematic vibrations, especially at high speeds, so that resonance points can no longer be passed through without damage. In addition, by balancing also no other excitation mechanisms, eg. B. excitations from dynamic process forces or self-stimuli be mitigated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schwingungen des Bauelements zu vermindern.The invention has for its object to reduce vibrations of the device.

Diese Aufgabe wird durch ein rotierendes Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a rotating component with the features of claim 1.

Dies spart Energie. Die Ansteuereinrichtung kann zunächst aus Schwingungssignalen, die mit Hilfe von Sensoren ermittelt werden, eine Unwuchtverteilung ermitteln, die im Bauelement herrscht. Aus dieser Unwuchtverteilung kann berechnet werden, wie die Welle zu verbiegen ist, um die Exzentrizität des Massenschwerpunkts zu reduzieren und so die Unwucht zu vermindern. Bei drehsynchronen Schwingungen, wie beispielsweise einer statischen Exzentrizität, ist das Problem – auf das Bauelement bezogen – statisch, läuft also mit dem Bauelement um. Wenn man nun eine statische Durchbiegung einstellt, läßt sich die statische Exzentrizität vermindern. Da piezoelektrische Elemente aus elektrischer Sicht eine Kapazität darstellen, steigt der Leistungsbedarf linear mit der Anregungsfrequenz. Da Unwuchterregungen, beispielsweise Exzentrizitäten des Masseschwerpunkts, statisch wirken und auch die aktive Unwuchtkompensation mit den mitdrehenden piezoelektrischen Elementen quasi statisch erfolgt, entsteht nur ein sehr geringer Leistungsbedarf, so daß zur Versorgung der piezoelektrischen Elemente auch kleine und preisgünstige elektrische Ansteuereinrichtungen, beispielsweise Verstärker, notwendig sind. Eine einmal eingestellte Durchbiegung bleibt dann weitgehend erhalten. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, mit Hilfe einer aktiven Regelung, die auf den Signalen der Sensoren beruhen, die Biegeschwingungen des rotierenden Bauelements über einen Breitenfrequenzbereich und für beliebige Erregungen zu reduzieren.This saves energy. The control device can first of vibration signals, which are determined by means of sensors, determine an imbalance distribution that prevails in the device. From this imbalance distribution can be calculated how to bend the shaft to reduce the eccentricity of the center of gravity and thus to reduce the imbalance. For rotationally synchronous vibrations, such as a static eccentricity, the problem - relative to the component - static, so runs around with the device. If you now set a static deflection, the static eccentricity can be reduced. Since piezoelectric elements represent a capacitance from an electrical point of view, the power requirement increases linearly with the excitation frequency. Since unbalance excitations, such as eccentricities of the center of mass act statically and the active unbalance compensation with the co-rotating piezoelectric elements quasi static, only a very low power requirement, so that for the supply of piezoelectric elements and small and inexpensive electrical control devices, such as amplifiers are necessary , Once set deflection remains largely intact. Of course, it is also possible, with the aid of an active control, which are based on the signals of the sensors, to reduce the bending vibrations of the rotating component over a broad frequency range and for any excitation.

Vorzugsweise sind mindestens zwei piezoelektrische Elemente rotationssymmetrisch über den Umfang des Bauelements verteilt angeordnet. Durch das Hinzufügen der piezoelektrischen Elemente entstehen also keine zusätzlichen Unwuchten. Die Massenverteilung in Umfangsrichtung bleibt vielmehr im Gleichgewicht.Preferably, at least two piezoelectric elements are distributed rotationally symmetrically over the circumference of the component. By adding the piezoelectric elements so no additional imbalances arise. The mass distribution in the circumferential direction remains rather in equilibrium.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Ansteuereinrichtung die piezoelektrischen Elemente so ansteuert, daß ihre Wirkung auf gegenüberliegenden Seiten des Bauelements entgegengesetzt gerichtet sind. Man wird also beispielsweise auf der ”Oberseite” des Bauelements das piezoelektrische Element so ansteuern, daß es sich in axialer Richtung ausdehnt, während das piezoelektrische Element auf der ”Unterseite” des Bauelements so angesteuert wird, daß es sich zusammenzieht. Dadurch wird einerseits ein Biegemoment in das Bauelement eingeleitet. Andererseits wird aber die Länge des Bauelements an sich nicht verändert.It is preferred that the drive means controls the piezoelectric elements so that their effect on opposite sides of the device are oppositely directed. Thus, for example, on the "top" of the device, the piezoelectric element will be driven to expand in the axial direction, while the piezoelectric element on the "bottom" of the device will be driven to contract. As a result, on the one hand, a bending moment is introduced into the component. On the other hand, but the length of the device is not changed per se.

Hierbei ist bevorzugt, daß zwei Paare voneinander gegenüberliegenden piezoelektrischen Elementen vorgesehen sind, wobei ein Paar orthogonal zum anderen Paar am Umfang des Bauelements angeordnet ist. Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit, durch einen mechanischen Aufbau die elektrische Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente zu vereinfachen.Here, it is preferable that two pairs of opposed piezoelectric elements are provided, with one pair being arranged orthogonal to the other pair on the circumference of the device. This is a relatively simple way to simplify the electrical control of the piezoelectric elements by a mechanical structure.

Vorzugsweise ist das piezoelektrische Element quer zur Spannungsbeaufschlagung längenveränderbar. Das piezoelektrische Element weist also einen Quereffekt auf. Beispielsweise kann eine Spannungsbeaufschlagung radial innen und radial außen am piezoelektrischen Element er folgen, wobei dann eine. Längenänderung in Axialrichtung bewirkt wird. Dies hat den Vorteil, daß man mit elektrischen Anschlüssen arbeiten kann, die sich bei einer Längenänderung des piezoelektrischen Elements nicht verlagern. Dies vereinfacht die Spannungsversorgung.Preferably, the piezoelectric element is variable in length transversely to the voltage application. The piezoelectric element thus has a transverse effect. For example, a voltage application radially inward and radially outward on the piezoelectric element he follow, in which case a. Length change in the axial direction is effected. This has the advantage that one can work with electrical connections that do not shift with a change in length of the piezoelectric element. This simplifies the power supply.

Bevorzugterweise ist das piezoelektrische Element auf die Oberfläche des Bauelements aufgeklebt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine flächige Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Bauelement, so daß über eine gewisse axiale Länge des Bauelements eine Kraftübertragung vom piezoelektrischen Element auf das Bauelement erfolgen kann. Durch Kleben kann man eine Verbindung schaffen, die auch bei höheren Drehzahlen eine ausreichende Festigkeit aufweist.Preferably, the piezoelectric element is adhered to the surface of the device. This embodiment enables a planar connection between the piezoelectric element and the component, so that over a certain axial length of the component, a force transmission can be carried out from the piezoelectric element to the component. By gluing you can create a connection that has sufficient strength even at higher speeds.

In einer alternativen Ausgestaltung ist das piezoelektrische Element in die Oberfläche des Bauelements integriert. Dies läßt sich beispielsweise bei Bauelementen aus Faser-Verbund-Werkstoffen relativ einfach realisieren. In diesem Fall ist die Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Bauelement in der Regel noch fester.In an alternative embodiment, the piezoelectric element is integrated into the surface of the component. This can be relatively easily realized, for example, in components made of fiber composite materials. In this case, the connection between the piezoelectric element and the component is usually even stronger.

Vorzugsweise ist das piezoelektrische Element als Schale ausgebildet. Es ist also vorgeformt, wobei die innere Krümmung der Schale an die äußere Krümmung des Bauelements angepaßt ist. In diesem Fall lassen sich beispielsweise piezokeramische Elemente verwenden, die bereits selbst eine gewisse Steifigkeit aufweisen. Die piezoelektrischen Elemente werden beim Aufbringen nicht mehr verformt.Preferably, the piezoelectric element is formed as a shell. It is therefore preformed, wherein the inner curvature of the shell is adapted to the outer curvature of the component. In this case, for example, piezoceramic elements can be used which already have some of their own Have stiffness. The piezoelectric elements are no longer deformed during application.

Vorzugsweise weist das piezoelektrische Element eine Steifigkeit auf, die größenordnungsmäßig der des Bauelements entspricht. Die hohe Steifigkeit des piezoelektrischen Elements, beispielsweise eines piezokeramischen Elements, ermöglicht es, daß das piezoelektrische Element auch eine tragende Funktion übernimmt. Dadurch wird gewährleistet, daß der Zusatz eines piezoelektrischen Elements die Festigkeit des Bauelements nicht oder nicht nennenswert vermindert. Die ”Größenordnung” liegt vorzugsweise im Bereich 1/10- bis 10-fache der Steifigkeit des Bauelements.Preferably, the piezoelectric element has a rigidity which corresponds to the order of magnitude of the component. The high rigidity of the piezoelectric element, such as a piezoceramic element, allows the piezoelectric element to also perform a supporting function. This ensures that the addition of a piezoelectric element, the strength of the device is not or not significantly reduced. The "order of magnitude" is preferably in the range of 1/10 to 10 times the stiffness of the component.

Bevorzugterweise decken die piezoelektrischen Elemente zumindest auf einem Teil der axialen Länge den Umfang des Bauelements nahezuvollständig ab. Man kann dadurch gewährleisten, daß der Außenumfang des Bauelements praktisch rund ausgebildet werden kann. Unrundheiten werden vermieden. Natürlich ist in der Regel zwischen benachbarten piezoelektrischen Elementen eine kleine Lücke vorhanden. Diese Lücke kann jedoch relativ klein gehalten werden.Preferably, the piezoelectric elements cover the circumference of the component almost completely at least over part of the axial length. It can thereby ensure that the outer circumference of the device can be made virtually round. Out-of-roundness is avoided. Of course, there is usually a small gap between adjacent piezoelectric elements. However, this gap can be kept relatively small.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:The invention will be described below with reference to a preferred embodiment in conjunction with the drawings. Herein show:

1 eine schematische Ansicht eines rotierenden Bauelements, 1 a schematic view of a rotating component,

2 eine Schnittansicht des Bauelements und 2 a sectional view of the device and

3 eine schematische Längsansicht. 3 a schematic longitudinal view.

1 zeigt ein rotierendes Bauelement 1 in Form einer Welle, das an zwei Lagern 2, 3 gelagert ist. Das Bauelement 1 ist um eine Längsachse 4 drehbar und rotiert mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. 1 shows a rotating component 1 in the form of a wave attached to two bearings 2 . 3 is stored. The component 1 is about a longitudinal axis 4 rotatable and rotates at an angular velocity ω.

Sensoren 5, 6 sind vorgesehen, um Schwingungen des Bauelements 1 zu ermitteln. Diese Sensoren 5, 6 können als Beschleunigungsaufnehmer oder auch als berührungslose induktive Aufnehmer ausgebildet sein.sensors 5 . 6 are provided to vibrations of the device 1 to investigate. These sensors 5 . 6 can be designed as an accelerometer or as a non-contact inductive pickup.

Auf einem in Axialrichtung begrenzten Abschnitt des Bauelements 1 sind insgesamt vier piezoelektrische Elemente 7–10 angeordnet. Dies läßt sich beispielsweise in 2 erkennen. Die piezoelektrischen Elemente 7–10 sind flach, d. h. ihre Dicke (bezogen auf die Radialrichtung des Bauelements 1) ist wesentlich kleiner als die Erstreckung in Umfangs- und in Axialrichtung.On an axially limited portion of the device 1 are a total of four piezoelectric elements 7 - 10 arranged. This can be, for example, in 2 detect. The piezoelectric elements 7 - 10 are flat, ie their thickness (relative to the radial direction of the component 1) is substantially smaller than the extent in the circumferential and in the axial direction.

Die piezoelektrischen Elemente 7–10 sind als Platten ausgebildet. Diese Platten können bereits vorgeformt sein, so daß die piezoelektrischen Elemente 7–10 eine Schalenform aufweisen. Die piezoelektrischen Elemente 7–10 sind auf die Oberfläche des Bauelements 1 aufgeklebt. In einer alternativen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, können sie auch in das Bauelement 1 integriert sein, z. B. bei Bauelementen 1 aus einem Faser-Verbund-Werkstoff.The piezoelectric elements 7 - 10 are formed as plates. These plates may already be preformed so that the piezoelectric elements 7 - 10 have a shell shape. The piezoelectric elements 7 - 10 are on the surface of the device 1 glued. In an alternative embodiment, which is not shown, they may also be incorporated into the device 1 be integrated, for. B. in components 1 made of a fiber composite material.

Die piezoelektrischen Elemente 7–10 werden durch eine radial gerichtete Spannung beaufschlagt. Hierzu sind in 1 schematisch Elektroden 11, 12 dargestellt, die auf die radiale Außenfläche der piezoelektrischen Elemente 7–10 wirken. Eine Elektrode 13 ist mit dem Bauelement 1 verbunden, das elektrisch leitfähig ist und eine Rückführung für alle piezoelektrischen Elemente 7–10 bildet. Die piezoelektrischen Elemente 7–10 haben einen Quereffekt, d. h. sie ändern ihre Länge in Axialrichtung dann, wenn eine Spannung transversal dazu angelegt wird, d. h. in radialer Richtung, wie im vorliegenden Fall.The piezoelectric elements 7 - 10 are acted upon by a radially directed voltage. These are in 1 schematically electrodes 11 . 12 shown on the radial outer surface of the piezoelectric elements 7 - 10 Act. An electrode 13 is with the device 1 connected, which is electrically conductive and a return for all piezoelectric elements 7 - 10 forms. The piezoelectric elements 7 - 10 They have a transverse effect, ie they change their length in the axial direction when a voltage is applied transversely to it, ie in the radial direction, as in the present case.

Die Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente erfolgt über eine Ansteuereinrichtung 14. Die Ansteuereinrichtung 14 weist einen Regler 15 auf, der mit den Sensoren 5, 6 verbunden ist, und einen Verstärker 16, der mit dem Ausgang des Reglers verbunden ist. Der Verstärker 16 erzeugt die Spannungen U, die zum Ansteuern der piezoelektrischen Elemente 7–10 verwendet werden.The control of the piezoelectric elements via a drive device 14 , The drive device 14 has a regulator 15 on that with the sensors 5 . 6 connected, and an amplifier 16 which is connected to the output of the regulator. The amplifier 16 generates the voltages U, which are used to drive the piezoelectric elements 7 - 10 be used.

Natürlich ist es auch möglich, die Leistung, die zum Ansteuern der piezoelektrischen Elemente 7–10 verwendet wird, nicht berührend über die Elektroden 11–13 zu übertragen, sondern berührungslos.Of course, it is also possible to use the power required to drive the piezoelectric elements 7 - 10 is used, not touching over the electrodes 11 - 13 to transfer, but contactless.

Wie aus 2 zu erkennen ist, sind zwei Paare von piezoelektrischen Elementen 7, 9; 8, 10 vorgesehen, wobei jedes Paar jeweils auf in Radialrichtung gegenüberliegende Seiten ein piezoelektrisches Element 7, 9 bzw. 8, 10 aufweist. Die beiden Paare 7, 9; 8, 10 sind orthogonal zueinander angeordnet.How out 2 can be seen, are two pairs of piezoelectric elements 7 . 9 ; 8th . 10 each pair is disposed on radially opposite sides of a piezoelectric element 7 . 9 respectively. 8th . 10 having. The two couples 7 . 9 ; 8th . 10 are arranged orthogonal to each other.

Wenn das Paar der piezoelektrischen Elemente 7, 9 angesteuert wird, dann erfolgt die Ansteuerung so, daß beispielsweise das piezoelektrische Element 7 eine Längenausdehnung erfährt, während das piezoelektrische Element 9 zusammengezogen wird. Dadurch ergibt sich, wie in 3 zu erkennen ist, eine gebogene Form des Bauelements 1. Durch die piezoelektrischen Elemente 7, 9 wird also ein Biegemoment in das rotierende Bauelement 1 eingeleitet, das zu der Verbiegung des Bauelements 1 führt. Durch die Verbiegung bzw. einen radialen Schlag entstehen harmonische Kräfte, die synchron mit der Drehung des Bauelements 1 umlaufen. Die Durchbiegung ist in 3 übertrieben groß dargestellt. Durch die schlaginduzierten Schwingungen können die Schwingungen aus der Unwucht kompensiert werden.When the pair of piezoelectric elements 7 . 9 is driven, then the control takes place so that, for example, the piezoelectric element 7 undergoes a longitudinal expansion, while the piezoelectric element 9 is contracted. This results in how in 3 It can be seen, a curved shape of the device 1 , By the piezoelectric elements 7 . 9 So is a bending moment in the rotating component 1 initiated, leading to the bending of the device 1 leads. The bending or a radial impact creates harmonic forces that are synchronous with the rotation of the component 1 circulate. The deflection is in 3 shown exaggeratedly big. By the impact-induced vibrations, the vibrations can be compensated from the imbalance.

In ähnlicher Weise kann das Paar von piezoelektrischen Elementen 8, 10 angesteuert werden, so daß sich in 3 eine Verbiegung senkrecht zur Zeichenebene ergeben würde. Durch eine Ansteuerung aller vier piezoelektrischen Elemente 7–10 läßt sich eine Durchbiegungsrichtung praktisch ohne Beschränkung auf vorbestimmte Orientierungen erreichen, d. h. die Richtung der Durchbiegung kann im Bereich von 0° bis 360° liegen.Similarly, the pair of piezoelectric elements 8th . 10 be controlled so that in 3 would give a bend perpendicular to the plane of the drawing. By controlling all four piezoelectric elements 7 - 10 For example, a deflection direction can be achieved with virtually no limitation to predetermined orientations, ie, the direction of deflection can be in the range of 0 ° to 360 °.

Natürlich sind auch andere Anordnungen möglich. Prinzipiell läßt sich auch mit drei piezoelektrischen Elementen, die dann räumlich im Abstand von 120° auf dem Umfang des Bauelements 1 verteilt sind, eine nahezu beliebige Orientierung der Durchbiegungsrichtung bewirken.Of course, other arrangements are possible. In principle, it is also possible with three piezoelectric elements, which then spatially at a distance of 120 ° on the circumference of the device 1 are distributed, cause almost any orientation of the direction of deflection.

Wie aus 2 zu erkennen ist, decken die piezoelektrischen Elemente 7–10 den Umfang des Bauelements 1 nahezu vollständig ab. Kleine Lücken 17 verbleiben zwar zwischen den piezoelektrischen Elementen 7–10. Die Rundheit des Bauelements 1 bleibt aber im wesentlichen erhalten.How out 2 can be seen, cover the piezoelectric elements 7 - 10 the scope of the device 1 almost completely off. Small gaps 17 while remaining between the piezoelectric elements 7 - 10 , The roundness of the device 1 but essentially remains.

Dadurch, daß die piezoelektrischen Elemente 7–10 jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet sind, entsteht durch die zusätzliche Masse der piezoelektrischen Elemente keine neuen Unwucht. Die Durchbiegung des Bauelements 1 wird stärker. Insgesamt ergibt sich keine Längenänderung des Bauelements 1, bezogen auf die Längsachse 4.Characterized in that the piezoelectric elements 7 - 10 are arranged in pairs opposite each other, created by the additional mass of the piezoelectric elements no new imbalance. The deflection of the device 1 is becoming stronger. Overall, there is no change in length of the component 1 , relative to the longitudinal axis 4 ,

Piezoelektrische Elemente stellen aus elektrischer Sicht eine Kapazität dar. Der Leistungsbedarf zum Betreiben der piezoelektrischen Elemente 7–10 steigt also linear mit der Anregungsfrequenz. Da Unwuchterregungen bezogen auf das rotierende Bauelement 1 (in einem mitdrehenden Koordinatensystem) statisch wirken, wird auch die aktive Unwuchtkompensation mit den mitdrehenden piezoelektrischen Elementen 7–10 quasi statisch erfolgen, d. h. man muß im Prinzip nur einmal eine gewisse Durchbiegung einstellen, die dann erhalten bleibt. Daraus ist erkennbar, daß nur ein sehr geringer Leistungsbedarf entsteht und daß zur Versorgung der piezoelektrischen Elemente 7–10 auch kleine und preisgünstige Verstärker 16 geeignet sind.Piezoelectric elements represent a capacitance from an electrical point of view. The power requirement for operating the piezoelectric elements 7 - 10 thus increases linearly with the excitation frequency. Since unbalance excitations related to the rotating component 1 (in a co-rotating coordinate system) act statically, is also the active unbalance compensation with the co-rotating piezoelectric elements 7 - 10 quasi static, that is, one must set in principle only once a certain deflection, which is then maintained. It can be seen that only a very low power requirement arises and that to supply the piezoelectric elements 7 - 10 also small and inexpensive amplifiers 16 are suitable.

Der Regler 15 bestimmt zunächst aus den Schwingungssignalen der Sensoren 5, 6 die im Bauelement 1 herrschende Unwuchtverteilung. Aus der Unwuchtverteilung kann berechnet werden, wie das Bauelement 1 zu verbiegen ist, um die Exzentrizität des Massenschwerpunkts zu reduzieren und so die Unwucht zu vermindern. Damit wird zunächst einmal die statische Unwucht vermindert. Die Regelung stellt also einen Algorithmus zur aktiven Unwuchtkompensation des rotierenden Bauelements 1 dar.The regulator 15 initially determined from the vibration signals of the sensors 5 . 6 the in the component 1 prevailing imbalance distribution. From the imbalance distribution can be calculated as the component 1 to bend to reduce the eccentricity of the center of mass and so to reduce the imbalance. This initially reduces the static imbalance. The control thus provides an algorithm for active unbalance compensation of the rotating component 1 represents.

Zusätzlich kann in die Regelung ein Algorithmus zur aktiven Kompensation von Erregungen, die nicht synchron zur Umdrehung des Bauelements 1 sind, integriert werden. Erregungen dieser Art entstehen zum Beispiel aus Unrundheiten des Bauelements 1, aus Selbsterregungsmechanismen oder aus äußeren periodischen Prozeßkräften. Mit der Hilfe der aktiven Regelung können also die Biegungsschwingungen des rotierenden Bauteils 1 über einen breiten Frequenzbereich und für beliebige Erregungen reduziert werden. Da die zusätzlichen Schwingungen in der Regel der ”Unwuchtschwingung” überlagert sind, kann man aber den Leistungsbedarf kleinhalten, in dem die Verbiegungen des Bauelements 1 um einen Arbeitspunkt herum erfolgen, der die statische Unwucht vermindert.In addition, in the scheme an algorithm for active compensation of excitations that are not synchronous to the rotation of the device 1 are integrated. Excitations of this kind arise, for example, from non-circularity of the component 1 , from self-excitation mechanisms or from external periodic process forces. With the help of the active control so can the bending vibrations of the rotating component 1 be reduced over a wide frequency range and for any excitation. Since the additional vibrations are usually superimposed on the "unbalance vibration", but you can keep the power requirements small, in which the bending of the component 1 around a working point, which reduces the static imbalance.

In einem Ausführungsbeispiel wird als rotierendes Bauelement 1 eine Welle einer Textilmaschine simuliert. Die Welle weist einen Durchmesser von 25 mm auf und eine Länge von etwa 1 m. Die Welle weist einen Young'schen Modul von 210 GPa auf. Auf die Welle werden piezoelektrische Elemente aufgeklebt unter Verwendung eines Zweikomponentenklebers. Der Umschließungswinkel beträgt für jedes piezoelektrische Element etwa 90°. Die Dicke des piezoelektrischen Elements beträgt 1 mm und die Länge 140 mm. Der Young'sche Modul der piezoelektrischen Elemente liegt bei 66 GPa. In einem ersten Experiment standen lediglich plattenförmige piezoelektrische Elemente zur Verfügung. Aus diesem Grunde wurde die Welle mit einem achteckigen Querschnitt versehen, um ebene Auflageflächen für die piezoelektrischen Elemente zu schaffen.In one embodiment, as a rotating component 1 simulating a wave of a textile machine. The shaft has a diameter of 25 mm and a length of about 1 m. The wave has a Young's modulus of 210 GPa. Piezoelectric elements are adhered to the shaft using a two-component adhesive. The enclosure angle is about 90 ° for each piezoelectric element. The thickness of the piezoelectric element is 1 mm and the length 140 mm. The Young's modulus of the piezoelectric elements is 66 GPa. In a first experiment, only plate-shaped piezoelectric elements were available. For this reason, the shaft has been provided with an octagonal cross-section to provide flat bearing surfaces for the piezoelectric elements.

Die piezoelektrischen Elemente werden in Axialrichtung mit Spannungen im Bereich von ±500 V beaufschlagt.The piezoelectric elements are loaded in the axial direction with voltages in the range of ± 500 volts.

Claims

Rotating component ( 1 ) with an arrangement for reducing vibrations of the component ( 1 ) comprising at least one piezoelectric element ( 7 - 10 ) and a drive device ( 14 ), wherein the piezoelectric element ( 7 - 10 ) is formed as a surface element and in the region of a surface of the component ( 1 ) and with the component ( 1 ), the piezoelectric elements ( 7 - 10 ) by the drive device ( 14 ) are drivable in two mutually orthogonal effective directions, characterized in that the drive device ( 14 ) generates a static drive signal with a static unbalance, wherein a static deflection is adjustable.

Component ( 1 ) according to claim 1, characterized in that at least two piezoelectric elements ( 7 - 10 ) rotationally symmetrical over the circumference of the device ( 1 ) are arranged distributed.

Component ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the driving device ( 14 ) the piezoelectric elements ( 7 - 10 ) so that their effect on opposite sides of the device ( 1 ) are directed in opposite directions.

Component ( 1 ) according to claim 3, characterized in that two pairs of mutually opposed piezoelectric elements ( 7 . 9 ; 8th . 10 ), whereby a pair ( 7 . 9 ) orthogonal to the other pair ( 8th . 10 ) on the circumference of the component ( 1 ) is arranged.

Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piezoelectric element ( 7 - 10 ) Is variable in length transversely to a voltage application.

Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the piezoelectric element ( 7 - 10 ) on the surface of the device ( 1 ) is glued.

Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the piezoelectric element ( 7 - 10 ) is integrated in the surface of the device.

Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the piezoelectric element ( 7 - 10 ) is formed as a shell.

Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the piezoelectric element ( 7 - 10 ) has a stiffness which at least the rigidity of the component ( 1 ) corresponds.

Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the piezoelectric elements ( 7 - 10 ) at least on a part of an axial length of the circumference of the component ( 1 ) cover almost completely.