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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungstilger mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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Ein
Schwingungstilger, d.h. ein passives Bauteil zur Reduktion von Schwingungen
einer Struktur, indem Schwingungsenergie aus der Struktur gezogen
und auf den Schwingungstilger übertragen
wird, ist im Wesentlichen durch seine Tilgermasse und die Federsteifigkeit
seiner Federanordnung definiert. Diese legen zusammen die Tilgereigenfrequenz
des Tilgers fest. Bei der Tilgereigenfrequenz weist der Schwingungstilger
seine höchste
Effizienz bei der Übernahme
von Schwingungsenergie aus der zu dämpfenden Struktur auf. dies
bedeutet, dass ein Schwingungstilger auf die Schwingungen, die bei
der jeweiligen Struktur zu dämpfen
sind, abgestimmt werden muss. In der Praxis gibt es jedoch eine
Vielzahl von schwingenden Strukturen, bei denen zwar eine Dämpfung mit
einem Schwingungstilger wünschenswert
wäre, bei
denen jedoch die Frequenz der zu dämpfenden Schwingung mehr oder
weniger stark mit einem Betriebszustand der Struktur variiert. So
verändert
sich beispielsweise bei einem Turbopropflugzeug die durch die Propellerdrehzahl
und die Anzahl der Propellerblätter
festgelegte Störfrequenz typischerweise
um +/– 10
bis 20 % abhängig
davon, ob sich das Flugzeug im Reise-, Senk- oder Steigflug befindet. Ähnliche
monofrequente aber frequenzvariable Störschwingungen treten auch bei
einer Vielzahl anderer Strukturen auf, wie beispielsweise bei Antrieben
von Straßen-,
Schienen- und Wasserfahrzeugen, Werkzeugmaschinen, Walzwerken, Papier-
und Druckmaschinen. Unterschiede zwischen der Frequenz der zu dämpfenden
Schwingung und der Tilgereigenfrequenz, die bei Änderungen einer Störfrequenz
zwangsläufig
auftreten, führen
zur zunehmenden Unwirksamkeit eines Schwingungstilgers. Besonders
große
Empfindlichkeiten gegenüber
Unterschieden zwischen der Frequenz der zu dämpfenden Schwingung und der
Tilgereigenfrequenz zeigen Schwingungstilger mit geringer tilgereigenen
Dämpfung.
Bei sehr geringer Tilgerdämpfung
können schon
sehr kleine Frequenzunterschiede sogar zu einer Verstärkung der
Störschwingungen
führen.
Dieses Problem wird häufig
durch eine deutliche Erhöhung
der Tilgerdämpfung,
wie sie beispielsweise bei Schwingungstilgern mit Elastomerfederanordnungen inhärent vorhanden
ist, entschärft.
Die Tilgerdämpfung
verbreitert zunehmend das Gebiet der Wirksamkeit des Tilgers. Gleichzeitig
führt sie
aber zu einer deutlichen Minderung der Tilgerwirkung bei der eigentlichen
Tilgereigenfrequenz.
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Es
wird daher auch der Ansatz vertolgt, die Tilgereigenfrequenz eines
Schwingungstilgers veränderbar
zu machen. Entsprechende Schwingungstilger werden als adaptive Schwingungstilger
oder High-Performance Tilger bezeichnet. Bei solchen Schwingungstilgern
wird die Tilgereigenfrequenz an die aktuelle Frequenz der zu dämpfenden
Schwingung angepasst. Dies kann grundsätzlich durch Änderung
der Tilgermasse oder der Federsteifigkeit der Federanordnung des
Schwingungstilgers erfolgen.
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Bei
einem bekannten Schwingungstilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1 stützt
sich die Tilgermasse über
eine Hebelanordnung an der Federanordnung ab. Dabei können die
Hebelverhältnisse
und damit die für
die Tilgermasse wirksame Federsteifigkeit mit einem Linearaktuator
verändert
werden, indem beispielsweise die Tilgermasse längs eines Hebelarms verschoben wird.
Der Aufbau dieses bekannten Schwingungstilgers ist aufgrund der
zusätzlichen
Hebelanordnung und der Führung
der Tilgermasse gegenüber
dem Hebelarm komplex. Wenn schnelle Linearaktuatoren, wie beispielsweise
Piezoaktuatoren zur Verschiebung der Tilgermasse längs des
Hebelarms verwendet werden, sind nur kleine Verschiebungswege und damit
auch nur kleine Veränderungen
des Hebels mit vertretbarem Aufwand realistisch. Andere Linearaktuatoren
mit größeren Stellwegen
sind typischerweise langsamer als Piezoaktuatoren, d.h. mit ihnen kann
die Abstimmung der Tilgereigenfrequenz auf die Frequenz der aktuell
zu dämpfenden
Schwingung nur langsam erfolgen. Darüber hinaus implizieren diese
Lösungsansätze in der
Regel ein höheres
Maß an
konstruktiver Komplexität.
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Bisherige
Versuche der direkten Änderung der
Federsteifigkeit der Federanordnung eines Schwingungstilgers haben
zu noch komplexeren Gesamtkonstruktionen geführt, oder der mit der verstellbaren
Tilgereigenfrequenz abdeckbare Frequenzbereich war nur sehr klein.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungstilger mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen,
der einen grundsätzlich
einfachen Aufbau aufweist und dennoch erlaubt, die Tilgereigenfrequenz über einen großen Frequenzbereich
auf zu dämpfende
Schwingungen abzustimmen.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch einen Schwingungstilger
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
des neuen Schwingungstilgers sind in den Unteransprüchen 2 bis
10 beschrieben.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Federanordnung des neuen Schwingungstilgers weist als wesentliches
Element eine Blattfeder auf. Die Federanordnung kann auch ausschließlich aus
einer solchen Blattfeder bestehen. Es können aber auch mehrere Blattfedern
vorhanden sein, und es können
auch andere weitere Federn, wie beispielsweise eine Elastomerfeder
zur Erhöhung der
inhärenten
Dämpfung
der Federanordnung vorgesehen werden. Die Blattfeder wird bei dem
neuen Schwingungstilger mit dem Linearaktuator zwischen ihren Federenden
beaufschlagt. Dabei kann die Beaufschlagung in eine Belastung der
Blattfeder auf Druck oder Zug resultieren. Im Falle von Druckkräften zwischen
den Federenden der Blattfeder wird deren Quersteifigkeit, d.h. die
Biegesteifigkeit der Blattfeder in ihrer üblichen Beanspruchungsrichtung
reduziert. Es ist sogar eine Reduktion der Biegesteifigkeit (Quersteifigkeit)
gegen null möglich,
wenn die mit dem Linearaktuator aufgebrachte Drucklast gleich groß wie die
kritische Last wird, bei der die Blattfeder zwischen ihren Federenden
einknickt. Dagegen führen
Zuglasten nach dem Prinzip der vorgespannten Saite zu einer Erhöhung der
Quersteifigkeit der Blattfeder bis zu einer Zuglastgrenze, die ausschließlich durch
die Zugfestigkeit des Materials der Blattfeder festgelegt wird.
Durch Ansteuerung des Linearaktuators zum Aufbringen unterschiedlicher
Druck- oder Zuglasten oder auch zum wahlweisen Aufbringen von unterschiedlichen
Druck- und Zuglasten kann die auf der Blattfeder basierende Biegesteifigkeit
der Federanordnung bei dem neuen Schwingungstilger in weiten Grenzen
variiert werden. So kann konkret ein Schwingungstilger bereitgestellt
werden, dessen Tilgereigenfrequenz gegenüber einer mittleren Tilgereigenfrequenz
um beispielsweise +/– 30
% variierbar ist.
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Die
konkreten Ausführungsformen
des neuen Schwingungstilgers können
durchaus unterschiedlich ausfallen. Es ist aber bevorzugt, wenn möglichst
wenig bewegliche Teile bei dem Schwingungstilger vorhanden sind.
So ist die Tilgermasse typischerweise starr an einem Federende der
Blattfeder gelagert. Die Blattfeder kann an ihrem anderen Federende
ebenfalls starr an der Basis gelagert sein. Wenn die Federanordnung überhaupt
nur aus der Blattfeder besteht, ist eine beidseitig starre Verbindung
die einzig sinnvolle Konstruktion. Bei mehreren Blattfedern kann
beispielsweise auch eine bewegliche Abstützung eines oder mehrerer Federenden
erfolgen. Hierdurch wird aber der Gesamtaufbau des neuen Schwingungstilgers
verkompliziert.
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Um
möglichst
nur die gewollte Druck- bzw. Zugbelastung auf die Blattfeder auszuüben, kann
der Linearaktuator einseitig über
ein biegeweiches und zugfestes Anschlusselement abgestützt sein.
Hierbei kann es sich um ein Seil aus unterschiedlichsten Materialien
handeln. Welche Elastizitätsanforderung
an das jeweilige Material zu stellen sind, wird weiter unten noch
näher beleuchtet
werden.
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Das
biegeweiche und zugfeste Anschlusselement kann insbesondere parallel
zu der Blattfeder des neuen Schwingungstilgers angeordnet sein,
d.h. sich parallel zu der Blattfeder zwischen deren Federenden erstrecken.
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Um
einerseits die gewünschte
Druckbelastung in der unmittelbaren Verbindungslinie zwischen den
Federenden der Blattfeder mit dem Anschlusselement aufbringen zu
können
und um andererseits keine ungewollten Störungen der Verformung der Blattfeder
durch das Anschlusselement hervorzurufen, kann die Blattfeder eine
Ausnehmung aufweisen, in der das Anschlusselement verläuft. Alternativ können zwei
Anschlusselemente beiderseits der Blattfeder angeordnet sein, die
dann aber auch durch den einen oder mehrere Linearaktuatoren gleichmäßig beaufschlagt
werden sollten.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers ist der Linearaktuator Teil der Tilgermasse.
Dabei können Steuerleitungen
zu dem Linearaktuator zugleich mechanische Anschlüsse für den Linearaktuator
ausbilden, also beispielsweise das bereits angesprochene Anschlusselement.
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Die
Einwirkung des Linearaktuators auf die Blattfeder des neuen Schwingungstilgers
kann zu einer nichtlinearen Gesamtfederkennlinie führen. Eine zumindest
im Wesentlichen lineare Gesamtfederkennlinie kann aber dadurch erreicht
werden, dass eine elastische Längenänderung
des Linearaktuators und seiner mechanischen Anschlüsse aufgrund
einer auf die Blattfeder ausgeübten
Druck- oder Zuglast wesentlich größer ist als eine Abstandsänderung
zwischen den Federenden der Blattfeder bei ihrer Verformung aufgrund
einer Auslenkung der Tilgermasse. Konkret gesagt sollte diese elastische
Längenänderung
mindestens zweimal so groß sein
wie die Abstandsänderung
zwischen den Federenden.
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Bei
dem neuen Schwingungstilger ist der Linearaktuator vorzugsweise
ein Piezoaktuator, der kompakt ist und sehr schnell ansteuerbar
ist. Der übliche
Nachteil eines Piezoaktuators, nur vergleichsweise kurze Verstellwege
aufzuweisen, ist bei dem neuen Schwingungstilger kaum beachtlich,
weil hier typischerweise nur kurze Stellwege benötigt werden. Grundsätzlich sind
aber auch pneumatische, hydraulische, elektrodynamische, magnetostriktive
und auch beliebige andere bekannte Linearaktuatoren bei dem neuen
Schwingungstilger einsetzbar.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des neuen Schwingungstilgers,
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2 zeigt
eine weitere Seitenansicht des Schwingungstilgers gemäß 1 aus
einer Blickrichtung, die unter 90° zu
der Blickrichtung gemäß 1 verläuft,
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3 zeigt
eine Wiedergabe des Schwingungstilgers in der Blickrichtung gemäß 1 bei Auslenkung
seiner Tilgermasse,
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4 verschiedene
Federkennlinien zu dem Schwingungstilger in der Ausführungsform
gemäß den 1 bis 3 bei
unterschiedlicher Ansteuerung dessen Linearaktuators, und
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5 eine 1 entsprechende
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des neuen Schwingungstilgers.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der
in den 1 und 2 dargestellte Schwingungstilger
besteht aus einer Tilgermasse 1 und einer Federanordnung 10, über die
die Tilgermasse 1 elastisch an eine Basis 4 angekoppelt
ist. Die Federanordnung 10 umfasst eine in zwei Teile 14 und 15 aufgeteilte
Blattfeder 6. An ihrem einem Federende 3 ist die
Blattfeder 6 starr an der Basis 4 gelagert. An
dem anderen, freien Federende 2 der Blattfeder 6 ist
die Tilgermasse 1 starr an der Blattfeder 6 gelagert.
In einer Ausnehmung 18 zwischen den Teilen 14 und 15 der
Blattfeder 6 verläuft
ein Anschlusselement 7 in Form eines Seils. Das Anschlusselement 7 ist
an die Basis 4 fest angebunden. An der Tilgermasse 1 stützt sich
das Anschlusselement 7 über einen
Linearaktuator 8 ab, der Teil der Tilgermasse 1 ist.
Das Anschlusselement 7 dient dazu, mit dem Linearaktuator 8 eine
einstellbare Drucklast 5 zwischen den Federenden 2 und 3 der
Blattfeder 6 aufzubringen. Konkret ist die Anordnung so,
dass bei einer Längenvergrößerung des
Linearaktuators 8 das Anschlusselement 7 auf Zug
belastet wird und die entsprechende reactio als Druckkraft zwischen
den Federenden 2 und 3 der Blattfeder 6 wirkt.
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Durch
eine zunehmende Drucklast 5 zwischen den Federenden 2 und 3 der
Blattfeder 6 wird die effektive Quersteifigkeit der Federanordnung 10 reduziert
die die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers bei Schwingungen
der Tilgermasse 1 in der in 3 mit einem
Pfeil 9 angegebenen Richtung bestimmt. Die Drucklast 5 reduziert
den Bedarf an zusätzlicher
Kraft in Richtung des Pfeils 9 auf die Tilgermasse 1 um
diese in der Richtung des Pfeils 9 auszulenken. Auf diese
Weise wird die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers gemäß 1,
die neben der Tilgermasse 1 von der Federsteifigkeit der Federanordnung 10 abhängt, durch
die Drucklast 5 variiert. Mit der Auslenkung der Tilgermasse 1 in
der Richtung des Pfeils 9 gemäß 4 verkürzt sich
der Abstand zwischen den Federenden 2 und 3 der
bogenförmig
deformierten Blattfeder 6 und damit der von dem Anschlusselement 7 überbrückte Abstand zwischen
der Tilgermasse 1 und der Basis 4. Entsprechend
nimmt die Zuglast 5 bei gleicher Ansteuerung des Linearaktuators
ab. Diese Abnahme der Drucklast 5 kann jedoch dadurch begrenzt
werden, dass die Zugsteifigkeit des Anschlusselements 7 so gewählt wird,
dass seine Längenänderung
aufgrund der Drucklast 5 wesentlich größer ist als die sich durch
die Auslenkung der Tilgermasse 1 und die entsprechende
bogenförmige
Verformung der Blattfeder 6 ergebene Verkürzung des
Abstands zwischen den Federenden 2 und 3. Die
Zugsteifigkeit des Anschlusselements 7 darf umgekehrt natürlich nicht
so klein gewählt
werden, dass über
den Verstellweg des Linearaktuators die zur Abstimmung des Schwingungstilgers
notwendige Drucklast 5 nicht mehr aufgebracht werden kann.
Bei der Auslegung der Steifigkeit des Anschlusselements 7 ist
auch die Eigensteifigkeit des Linearaktuators 8 zu berücksichtigen.
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4 skizziert
unterschiedliche Federkennlinien 11 bis 13, die
durch unterschiedliche Ansteuerung des Linearakturators 8 bei
der Ausführungsform des
neuen Schwingungstilgers gemäß den 1 bis 3 erreicht
werden können
und die unterschiedlichen Tilgereigenfrequenzen des Schwingungstilgers entsprechen.
Die Federkennlinie 11 ist die Federkennlinie, bei der eine
Drucklast 5 null zwischen den Federenden 2 und 3 der
Bogenfeder wirkt. Bei der Federkennlinie 12 wirkt eine
mittlere Drucklast 5. Bei der Federkennlinie 13 wirkt
die maximale Drucklast 5. Mit zunehmender Drucklast 5 zwischen
den Federenden 2 und 3 reduziert sich der Anstieg
der Kraft F bei einer Auslenkung der Tilgermasse 1 am Federende 2 der
Bogenfeder 6 um den Weg s in der Richtung des Pfeils 9 gemäß 3.
Die anschließend
auftretende Wiederannäherung
der Federkennlinien 12 und 13 an die Federkennlinie 11 beruht
auf der Entspannung des Anschlusselements 7 durch den zunehmend
kleiner werdenden Abstand zwischen den Federenden 2 und 3 der
bogenförmig
deformierten Blattfeder 6. Diese Annäherung kann, wie oben ausgeführt wurde,
durch eine niedrige Abstimmung der Zugsteifigkeit des Anschlusselements 7 und
des Linearaktuators 8 herausgezögert werden. In einem konkreten
Beispiel konnte ein Schwingungstilger mit einer der Federkennlinie 11 entsprechenden
Tilgereigenfrequenz von 130 Hz durch gezielte Ansteuerung des Linearaktuators 8 bis
herab auf 70 Hz abgestimmt werden.
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Die
in 5 gezeigte weitere Ausführungsform des neuen Schwingungstilgers
weist eine Federanordnung 10 mit zwei Blattfedern 6 auf.
Dabei ist die eine Blattfeder starr an der Basis 4 und
der Tilgermasse 1 gelagert. Die zweite Blattfeder 6 ist
zwar starr an der Tilgermasse 1 aber zumindest in der Richtung
zwischen ihren Federenden 2 und 3 beweglich in
einem Lager 16 an der Basis 4 gelagert. Das Lager 16 ist
gegenüber
der Basis 4 in dieser freien Richtung mit dem Linearaktuator 8 beaufschlagbar, um
entweder eine Drucklast 5 oder aber eine Zuglast 17 zwischen
den basisseitigen Enden 3 der Blattfedern 6 aufzubringen.
Hierdurch kann die Steifigkeit der Federanordnung 10 aufgrund
der Blattfedern 6 nicht nur abgesenkt, sondern nach dem
Prinzip der vorgespannten Saite auch gezielt erhöht werden. Für die Umsetzung
der vorliegenden Erfindung kommt es auf die genaue Art der Lagerung
der einzelnen Blattfedern 6 nicht an. Wichtig ist, dass
die Federsteifigkeit der Federanordnung aufgrund der Blattfeder 6 durch
einen oder mehrere Linearaktuatoren 8 verändert wird,
indem eine Zug- und/oder Drucklast zwischen den Federenden mindestens
einer der Blattfedern aufgebracht wird.
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Die
wesentlichen Vorteile des neuen Schwingungstilgers können mit
den folgenden Stichworten zusammengefasst werden: kompakte Bauweise,
d.h. geringer Bauraum; Nutzung der Masse des Linearaktuators als
Teil der Tilgermasse, d.h. extrem geringer Unterschied zwischen
der Gesamtmasse des Schwingungstilgers und der Tilgermasse, der
auch als Todmasse bezeichnet wird; einfacher konstruktiver Aufbau
ohne Gelenke, zusätzliche
bewegte Antriebe oder Mechaniken möglich; einfache Veränderung
der Tilgereigenfrequenz ausschließlich durch Änderung
der statischen Zug- oder Drucklast zwischen den Federenden der bogenförmig deformierten
Blattfeder; schnelle Adaptionsfähigkeit,
d.h. die Tilgereigenfrequenz kann sehr schnell nachgeführt werden;
einfache Steuerbarkeit, bei einer definierten Ansteuerung des Linearaktuators
ergibt sich eine definierte Verschiebung der Tilgereigenfrequenz;
geringer Energiebedarf, da Änderungen
der Druck- bzw. Zuglast auf die Blattfeder durch quasistatische,
geringfügige
elektrische Ladungsverschiebungen in dem Linearaktuator möglich sind.
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- 1
- Tilgermasse
- 2
- Federende
- 3
- Federende
- 4
- Basis
- 5
- Drucklast
- 6
- Blattfeder
- 7
- Anschlusselement
- 8
- Linearaktuator
- 9
- Pfeil
- 10
- Blattfederanordnung
- 11
- Federkennlinie
- 12
- Federkennlinie
- 13
- Federkennlinie
- 14
- Teil
- 15
- Teil
- 16
- Lager
- 17
- Zuglast
- 18
- Ausnehmung