DE10351243A1 - Adaptiver Schwingungstilger - Google Patents

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Abstract

Ein adaptiver Schwingungstilger weist eine über eine Federanordnung (10) an einer Basis (4) gelagerte Tilgermasse (1) und einen zur Veränderung der Tilgereigenfrequenz ansteuerbaren Linearaktuator (8) auf. Die Federanordnung (10) weist eine Blattfeder (6) auf, die mit dem Linearaktuator (8) zwischen ihren Federenden (2, 3) auf Druck oder Zug belastbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schwingungstilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • 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.
  • LÖSUNG
  • 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.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
  • 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des neuen Schwingungstilgers,
  • 2 zeigt eine weitere Seitenansicht des Schwingungstilgers gemäß 1 aus einer Blickrichtung, die unter 90° zu der Blickrichtung gemäß 1 verläuft,
  • 3 zeigt eine Wiedergabe des Schwingungstilgers in der Blickrichtung gemäß 1 bei Auslenkung seiner Tilgermasse,
  • 4 verschiedene Federkennlinien zu dem Schwingungstilger in der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 bei unterschiedlicher Ansteuerung dessen Linearaktuators, und
  • 5 eine 1 entsprechende Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des neuen Schwingungstilgers.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (10)

  1. Schwingungstilger mit einer über eine Federanordnung an einer Basis gelagerten Tilgermasse und mit einem zur Veränderung der Tilgereigenfrequenz ansteuerbaren Linearaktuator, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (10) eine Blattfeder (6) aufweist und dass die Blattfeder (6) mit dem Linearaktuator (8) zwischen ihren Federenden (2, 3) auf Druck und/oder Zug belastbar ist.
  2. Schwingungstilger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (1) starr an einem Federende (2) der Blattfeder (6) gelagert ist.
  3. Schwingungstilger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (6) an ihrem anderen Federende (3) starr an der Basis (4) gelagert ist.
  4. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktuator (8) einseitig über ein biegeweiches und zugfestes Anschlusselement (7) abgestützt ist.
  5. Schwingungstilger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (7) parallel zu der Blattfeder (6) angeordnet ist.
  6. Schwingungstilger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (6) eine Ausnehmung (18) aufweist, in der das Anschlusselement (7) verläuft.
  7. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktuator (8) Teil der Tigermasse (1) ist.
  8. Schwingungstilger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerleitungen zu dem Linearaktuator (8) zugleich mechanische Anschlüsse für den Linearaktuator (8) ausbilden.
  9. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine elastische Längenänderung des Linearaktuators (8) und seiner mechanischen Anschlüsse aufgrund einer auf die Blattfeder (6) ausgeübten Druck- oder Zuglast (5, 17) mindestens zweimal so groß ist wie eine Abstandsänderung zwischen den Federenden (2, 3) der Blattfeder (6) bei ihrer Verformung aufgrund einer Auslenkung der Tilgermasse (1).
  10. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktuator (8) ein Piezoaktuator ist.
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