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Die
Erfindung betrifft eine Schnittstelle zum Dämpfen oder Isolieren mechanischer
Schwingungen mittels mehrerer Energiewandler-Systeme. Derartige
Schnittstellen dienen beispielsweise zum Dämpfen von Schwingungen im Bereich
des allgemeinen Maschinenbaus, der Automobiltechnik, des Bauingenieurwesens
oder der Luft- und Raumfahrttechnik.
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In
Maschinen, Fahrzeugen und ähnlichen Baugruppen
entstehen, z. B. durch den Betrieb von Aggregaten (beispielsweise
Aggregaten zur Stromerzeugung) oder durch sonstige Umgebungsbedingungen
erregte, dynamische mechanische Störungen in Form von Schwingungen.
Die Frequenzen dieser Schwingungen reichen bis in den höherfrequenten akustischen
Bereich und bewirken lokal am Ort der Störentstehung bzw. der Störeinleitung
oder, nach Übertragung über mechanische
Lastpfade, weiter entfernt unerwünschte
dynamische und/oder akustische Effekte. In der Folge ergeben sich
Komforteinbußen,
Sicherheitsprobleme, Bauteilschädigungen infolge
von struktureller Ermüdung,
verminderte Lebensdauer, reduzierte Funktionalitäten, etc.
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Zur
Dämpfung
oder Isolierung mechanischer Schwingungen wird häufig die sogenannte Materialdämpfung eingesetzt,
bei der die mechanische Energie der Schwingung unmittelbar in thermische
Energie umgesetzt wird. Beispiele hierfür sind elastische oder viskoelastische
Dämpfungssysteme.
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Daneben
werden zunehmend Maßnahmen eingesetzt,
die auf weiteren Energiewandler-Systemen beruhen. Diese Energiewandler-Systeme wandeln i.
d. R. mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt. Beide
Effekte werden für
die Dämpfung
mechanischer Schwingungen eingesetzt. Man unterscheidet dabei in
der Regel zwischen aktiven, semi-aktiven und passiven Schwingungsdämpfern.
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Bei
der passiven und semi-aktiven Schwingungsdämpfung wird die mechanische
Energie der Schwingungen mit Hilfe eines elektrisch-mechanischen
Energiewandlers (z. B. einer Piezokeramik) zunächst in elektrische Energie
umgewandelt. Diese elektrische Energie wird dann im Fall der passiven Schwingungsdämpfung in
einer passiven elektrischen Schaltung (z. B. einem ohmschen widerstand) dissipiert,
d. h. in thermische Energie umgewandelt, bzw. im Fall der semi-aktiven
Schwingungsdämpfung mit
Hilfe einer aktiven elektrischen Schaltung umgeleitet (z. B. elektrischer
Tilger). Derartige Systeme werden beispielsweise in N.W. Hagood
and A. von Flotow: Damping of Structural Vibrations wich Piezoelectric
Materials and Passive Electrical Networks, Journal of Sound and
Vibration 146 (2), 243 (1991), beschrieben.
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Bei
der aktiven Schwingungsisolierung wird zwischen eine Störquelle
(Basisseite) und eine Anschlussseite mindestens ein Ak tuator-System
geschaltet. Als "Aktuator" wird in diesem Zusammenhang
ein Energiewandler bezeichnet, welcher z. B. elektrische Signale
in mechanische Bewegungen umwandeln kann, beispielsweise ein Piezo-Aktuator oder
ein pneumatischer Aktuator. Entscheidend ist, dass die Chrakteristik
(z. B. Ausdehnung) der Aktuatoren durch ein Ansteuersignal kontrolliert
veränderbar
ist. Ein Beispiel für
ein System zur aktiven Schwingungsisolierung mit Hilfe von Aktuator-Elementen
ist in der
US 5,660,255 offenbart.
Zwischen ein Basisgehäuse
und eine zu isolierende Nutzlast werden Aktuator-Elemente, sowie
eine kleine zusätzliche
Masse eingebracht. Auf der kleinen Masse sind Sensoren angebracht,
welche die Verschiebung der kleinen Masse registrieren. Aus der
Verschiebung wird mit Hilfe einer elektronischen Regelung und einer
externen elektrischen Energiequelle ein Stellsignal für die Aktuator-Elemente
generiert. Die Aktuator-Elemente werden so angesteuert, dass die Schwingungsbewegung
am Ort der Nutzlast weitgehend eliminiert wird.
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1 zeigt einen Satelliten
als Beispiel für eine
aktive Entkopplung von Störquellen
und sensiblen Komponenten, die mechanisch nicht gestört werden
sollten. Der Satellit enthält
interne Störquellen 1, etwa
mechanische Kühler,
Motoren, etc. Die mechanischen Störungen dieser Störquellen 1 werden durch
aktive Elemente 2, 3, 4 gedämpft, so
dass sich die Störungen
nicht von den Störquellen 1 über Übertragungswege 3, 4 auf
die empfindlichen Komponenten 5 (Kameras, Reflektoren,
etc.) auswirken.
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Neben
der Nutzung zur aktiven, passiven und semi-aktiven Schwingungsdämpfung können die elektrisch-mechanischen
Energiewandler oft auch gleichzeitig als Stellglieder zur mechanischen
Positionierung einer Nutzlast genutzt werden. Dies kann beispielsweise
dadurch erfolgen, dass eine ringförmige Anord nung einer Mehrzahl
von Aktuatoren in eine schwingungsreduzierende Schnittstelle integriert wird,
welche z. B. eine gezielte Verkippung einer Struktur gegenüber einer
Basis bewirken kann. Ein derartiges System wird beispielsweise in
DE 195 27 514 C2 offenbart.
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Aus
konstruktiven Gründen
werden Aktuator-Systeme in der Praxis häufig mit einer Vorlast betrieben.
Häufig
handelt es sich dabei um eine mechanische Vorlast in Form einer
Druck- oder Zugbelastung auf das Aktuator-System. Bei Piezo-Aktuatoren beispielsweise,
bei denen eine Ausdehnung über
die Ruhelänge
(d. h. Länge
des Aktuators ohne beaufschlagte Spannung) hinaus zu mechanischen
Beschädigungen
des Aktuators führen
würde,
ist ein Betrieb ohne Vorspannung praktisch nicht sinnvoll bzw. nicht
möglich.
Die konstruktive Realisierung einer Vorrichtung zum Ausüben einer
Vorspannung stellt jedoch insbesondere bei dem bzw. den Aktuatoren ein
Problem dar, deren Ausdehnungsrichtung sich parallel zu der von
der Nutzlast ausgeübten
Kraft (beispielsweise der Gewichtskraft) erstreckt und somit eine
häufig
negative Auswirkung auf die aktuatorische Wirksamkeit hat. In
US 5,660,255 ist keine befriedigende
Lösung
dieses Problems offenbart.
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In
DE 195 27 514 C2 wird
eine Schnittstelle zur Schwingungsreduktion in strukturdynamischen Systemen
offenbart, bei der eine Schwingungsisolation zwischen einem strukturseitigen
Bauteil und einem basisseitigen Bauteil durch eine Mehrzahl von eine
Hauptrichtung aufweisenden Aktuatoren erfolgt. Eine Druckvorspannung
auf die Aktuatoren wird durch Dehnschrauben zwischen dem basisseitigen Bauteil
und dem strukturseitigen Bauteil gewährleistet. Eine derartige starre
mechanische Verbindung zwischen dem basisseitigen Bauteil und dem
strukturseitigen Bauteil hat jedoch den Nachteil, dass dadurch eine Brücke geschaffen
wird, über
die sich Schwingungen von einer basisseitigen Störquelle zum strukturseitigen
Bauteil ausbreiten können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindungen ist es, eine möglichst schallübertragungsarme
Schnittstelle zur Schwingungsreduktion anzugeben, welche zur aktiven,
semi-aktiven und passiven Schwingungsisolierung sowie zu einer mechanischen
Positionierung einer Last genutzt werden kann.
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Lösung
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Es
wird eine Schnittstelle zur Reduktion mechanischer Schwingungen
vorgeschlagen, welche ein Basisanschlusselement, ein Lastanschlusselement
und mindestens ein Abstützelement
aufweist. Dabei erstreckt sich zwischen mindestens einem auf dem
Basisanschlusselement liegenden Angriffspunkt und mindestens einem
auf dem Lastanschlusselement liegenden Angriffspunkt mindestens
ein erstes Energiewandler-System.
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Das
Energiewandler-System kann je nach Anwendung und Anforderungen auf
verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen. Als besonders vorteilhaft
haben sich insbesondere Piezo-Aktuatoren erwiesen. Aber auch Aktuatoren,
die auf sogenannten Formgedächtnislegierungen
oder anderen Materialien mit Ge dächtnis-Effekt
basieren, sowie magneto- oder elektrostriktive Aktuatoren, pneumatische
oder hydraulische Aktuatoren, magneto- oder elektrorheologische
Flüssigkeits-Aktuatoren
und Dämpfungselemente
lassen sich vorteilhaft einsetzen. Auch Kombinationen verschiedener
Energiewandler-Systeme sind möglich,
beispielsweise die Kombination (z. B. eine Serien- oder Parallelschaltung)
eines Piezo-Aktuators mit einem "konventionellen" Dämpfungssystem,
wie beispielsweise eine Federsystem oder einem Gummidämpfer.
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Federsysteme
oder elastische Materialien lassen sich in Kombination mit Piezo-Aktuatoren auch
einsetzen, um eine Vorlast auf den Piezo-Aktuator zu erzeugen oder
eine bestehende Vorlast zu erhöhen.
Auch Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen lassen
sich durch Kombination verschiedener Wirkprinzipien und Energiewandler-Systeme
ausgleichen, also z. B. hochfrequente Schwingungen durch aktive
oder passive Dämpfung mittels
Piezo-Aktuatoren, niederfrequente Schwingungen durch konventionelle
Dämpfungselemente (z.
B. viskoelastische Dämpfer).
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Zwischen
mindestens einem auf dem Abstützelement
liegenden Angriffspunkt und mindestens einem auf dem Lastanschlusselement
liegenden Angriffspunkt erstreckt sich mindestens ein zweites Energiewandler-System.
Für die
Auswahl und die Zusammensetzung dieses zweiten Energiewandler-Systems
gelten die oben angeführten
Beschreibungen zum ersten Energiewandler-System sinngemäß.
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Das
Basisanschlusselement ist mit dem mindestens einen Abstützelement über mindestens
eine Vorspanneinrichtung derart verbunden, dass durch die Vorspanneinrichtung
eine Vorlast auf das erste und das zweite Energiewandler-System
ausgeübt werden kann.
Bei dieser Vorlast kann es sich beispielsweise um eine mechanische
Druck- oder Zugbelastung handeln. Wahlweise ist auch ein Betrieb mit
der Vorlast Null möglich,
also ein Betrieb bei dem keine Kraft auf die Energiewandler-Systeme
ausgeübt
wird. Wahlweise kann diese Vorlast (auch die Vorlast Null) noch
beispielsweise mit einer elektrischen Vorlast kombiniert werden.
Die Vorspanneinrichtung kann elastisch oder inelastisch sein. Die
Vorlast kann direkt oder indirekt auf die Energiewandler-Systeme ausgeübt werden,
also beispielsweise auch indirekt über ein zusätzliches Federsystem.
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Das
Lastanschlusselement soll einen in einem Zwischenraum zwischen dem
Basisanschlusselement und dem Abstützelement liegenden Teil und einen
außerhalb
des Zwischenraums zwischen dem Basisanschlusselement und dem Abstützelement
liegenden Teil aufweisen.
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Unter
Zwischenraum ist dabei nicht nur ein abgeschlossener Hohlraum zu
verstehen, sondern jeglicher Raum zwischen Basisanschlusselement und
Lastanschlusselement.
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Diese
Bedingung gewährleistet
den Vorteil, dass das Lastanschlusselement für eine Montage einer Last leicht
zugänglich
ist. Die Schwingungsisolation erfolgt beispielsweise über den
zwischen dem Basisanschlusselement und dem Abstützelement liegenden Teil, wodurch
eine Druckvorspannung auf die Energiewandler-Systeme ausgeübt werden
kann. Die Montage einer Last hingegen erfolgt an dem außerhalb
des Zwischenraums zwischen dem Basisanschlusselement und dem Abstützelement
liegenden Teil des Lastelements. Letzterer ist nun nicht mehr durch
die räumlichen
Maße des
Zwischenraums beschränkt,
kann also beliebig in Form und Größe ausgestaltet sein und dadurch
beispiels weise spezielle Erfordernisse der Anschlussgeometrie der
Last berücksichtigen.
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Das
Basisanschlusselement und das Lastanschlusselement können beispielsweise
eine ebene Montagefläche
aufweisen. Dies erleichtert den Einbau der Schnittstelle in vorhandene
Strukturen zur Isolierung einer vibrationsempfindlichen Last von
einer oder mehreren Störquellen.
Weiterhin lassen sich auf diese Weise mehrere Schnittstellen auf
einfache Weise seriell hintereinanderschalten.
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Die
beschriebene Schnittstelle kann
- – als Lagerungselement,
- – als
modulares Übertragungselement
und/oder
- – als
Stellelement
in Strukturen eingearbeitet werden.
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Die
vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus,
dass das Lastanschlusselement i. d. R. nur über das erste und das zweite
Energiewandler-System mit dem Abstützelement bzw. dem Basisanschlusselement
verbunden ist. Auf diese Weise wird die Anzahl der Schallbrücken zwischen
basisseitigen Störquellen
und einer Nutzlast auf das technisch notwendige Minimum reduziert.
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Trotz
dieser Reduktion der Schallbrücken
ist durch die starre oder flexible Vorspanneinrichtung, welche eine
Verbindung zwischen Basisanschlusselement und Abstützelement
herstellt, eine definierte Einstellung einer Vorspannung der Energiewandler-Systeme möglich. Dies
kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass als Vorspanneinrichtung
ein elastisches Element, Dehnschrauben oder ähnliche in ihrer Länge veränderbare
Elemente eingesetzt werden.
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Es
lassen sich Energiewandler-Systeme mit einer gemeinsamen oder mit
unterschiedlichen Vorzugsrichtungen einsetzen, letzteres z. B. um
Schwingungen in verschiedenen Raumrichtungen zu isolieren. Vorteilhafterweise
wird dann für
jede Raumrichtung ein separates Abstützelement und eine separate
Vorspanneinrichtung verwendet. Für
jede Raumrichtung werden dann vorzugsweise jeweils mindestens ein
sich zwischen dem Basisanschlusselement und dem Lastanschlusselement
erstreckendes Energiewandler-System und mindestens ein sich zwischen
dem Lastanschlusselement und dem Abstützelement erstreckendes Energiewandler-System
eingesetzt. Wiederum kann dann eine Vorspannung auf die Energiewandler-Systeme
ausgeübt
werden, ohne dass Schallbrücken
zwischen Basiselement und Lastanschlusselement geschaffen werden.
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Weiterhin
können
auch für
eine Raumrichtung mehr als zwei Energiewandler-Systeme eingesetzt
werden. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn es sich
bei den Energiewandler-Systemen um Aktuator-Systeme handelt, welche
nicht nur eine reine Translation des Lastanschlusselements, sondern
beispielsweise auch eine Verkippung bewirken sollen. Wenn z. B.
zwei Paare von Aktuator-Systemen parallel angeordnet sind, so führt eine ungleiche
Ausdehnung der beiden Paare zu einer Verkippung des Lastanschlusselements
um eine Achse senkrecht zur Vorzugsrichtung der beiden Paare von
Aktuator-Systemen. Analog lässt
sich mit mehreren Paaren von Aktuator-Systemen eine Verkippung des
Lastanschlusselements um mehrere Achsen erzielen. Auf diese Weise
lassen sich beispielsweise auch Torsionsschwingungen im Basisanschlusselement
vom Lastanschlusselement isolieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen
das Basisanschlusselement und das Lastanschlusselement jeweils standardisierte
Anschlussgeometrien auf. Bei diesen Anschlussgeometrien kann es
sich beispielsweise um Gewinde, Flansche, Schraubbolzen etc. handeln.
Dies ermöglicht
einen schnellen und kostengünstigen
Austausch oder eine Ergänzung
bestehender Elemente und Strukturen durch die beschriebene Schnittstelle zur
Schwingungsreduktion. Beispielsweise in der Satellitentechnik kann
die Schnittstelle auf einfache Weise zwischen den Hauptkörper, der
z. B. Störquellen
in Form von Motoren enthält,
und eine positionsempfindliche Antenne geschaltet werden, ohne dass konstruktive Änderungen
der gesamten Anordnung erforderlich sind. Es kann beispielsweise
auf standardisierte Flanschgeometrien zurückgegriffen werden.
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Vorteilhafter
Weise weist die Vorspanneinrichtung ein die Aktuator-Systeme umschließendes Rohr
auf. Das Rohr kann kreisförmige,
rechteckige oder beliebige Querschnittsgeometrie aufweisen.
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Dies
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn alle Energiewandler-Systeme
eine gemeinsame Vorzugsrichtung aufweisen. Das geschlossene Rohr kann
starr oder flexibel ausgestaltet sein und ist insbesondere so ausgestaltet,
dass die Rohrachse annähernd
parallel zur Vorzugsrichtung der Aktuator-Systeme ausgerichtet ist.
Das Rohr schützt
die Aktuator-Systeme vor Umwelteinflüssen, wie z. B. Feuchtigkeit,
Schmutz oder ähnlichem.
Weiterhin stabilisiert das Rohr die Energiewandler-Systeme gegen
Krafteinwirkungen senkrecht zur Vorzugsrichtung (z. B. Scherkräfte), welche
zu mechanischen Beschädigungen
der Energiewandler-Systeme führen
könnten.
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Bei
verschiedenen Methoden zur Schwingungsdämpfung ist es von Vorteil,
Informationen über
die tatsächliche
Schwingung des Lastanschlusselements zu generieren. Daher kann ein
Sensorsystem zur Bestimmung von beispielsweise Weg, Geschwindigkeit,
Beschleunigung oder Kraft mit einem Element der Schnittstelle verbunden
bzw. zwischengeschaltet sein. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn
ein Sensor mit dem Lastanschlusselement verbunden ist. Weitere Sensorsysteme
können
beispielsweise mit dem Basisanschlusselement verbunden werden.
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Bei
diesen Sensorsystemen kann es sich beispielsweise um kapazitive
oder piezoelektrische Beschleunigungs- oder Kraftsensoren, oder
um magnetische, elektrostatische oder interferometrische Positions-
oder Geschwindigkeitssensoren handeln.
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Die
Informationen des mindestens einen Sensorsystems können beispielsweise
zur aktiven Schwingungsdämpfung
genutzt werden. Dabei werden insbesondere als Energiewandler-Systeme
Aktuator-Systeme
eingesetzt. Die Signale des Sensorsystems werden einer Regelungselektronik
zur Verfügung
gestellt. Die Regelungselektronik generiert aus den Sensorsignalen
Steuersignale (Zielfunktion), welche über eine Energieversorgung
in Stellsignale für
die Aktuator-Systeme umgewandelt werden. Durch diese Stellsignale
werden die Aktuator-Systeme zu Schwingungen angeregt, welche z.
B. gegenphasig zu den zu isolierenden Schwingungen sind und diese
am Ort der Last eliminieren oder dämpfen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Energiewandler-System
ganz oder teilweise als Aktuator-System ausgebildet. Dabei soll ein
Teil dieses Aktuator-Systems wiederum gleichzeitig als Energiewandler
genutzt werden können,
welcher mechanische in elektrische Energie umwandeln kann.
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In
dieser Weiterbildung werden also beide Richtungen der Energiewandlung
gleichzeitig genutzt. Während
in einem Aktuator typischerweise elektrische Energie in mechanische
Energie umgewandelt wird, wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung
zumindest in einem Teil eines Aktuators gleichzeitig mechanische
Energie in elektrische Energie umgewandelt. Aktuatoren, die zu dieser
Umkehrung des Wandlerprinzips in der Lage sind, werden auch als
multifunktionale Wandlersysteme bezeichnet. Die dabei verwendeten
Werkstoffe, die gleichzeitig mechanische Lasten tragen können und
als Aktuator und bzw. oder Sensor (siehe unten) wirken können, werden
als multifunktionale Werkstoffe bezeichnet.
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Die
Wandlung kann beispielsweise durch Ausnutzung des piezoelektrischen
Effekts, beispielsweise mit Hilfe einer Piezokeramik, erfolgen.
Dabei wird ein Druck auf eine Piezokeramik oder Druckschwankungen
in einer Piezokeramik in elektrische Signale umgewandelt. Da Piezo-Aktuatoren
häufig aus
Stapeln vieler Piezokeramik-Schichten bestehen, kann beispielsweise
eine Schicht aus diesem Stapel gleichzeitig zur Wandlung mechanischer
Energie in elektrische Energie genutzt werden.
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Diese
Weiterbildung hat verschiedene Vorteile. Zum einen kann zumindest
teilweise auf die Nutzung zusätzlicher
Sensoren verzichtet werden. Die vom Aktuator-System erzeugten elektrischen
Signale dienen gleichzeitig als Sensorsignale und können beispielsweise
Informationen über
die Beschleunigung oder die Geschwindigkeit der Bewegung einer Nutzlast
enthalten.
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Auf
diese Weise lässt
sich z. B. durch die Schnittstelle die Systemantwort des Gesamtsystems auf
eine Störung
ermitteln. Beispielsweise können die
Aktuator-Systeme der Schnittstelle mit einer bestimmten Referenzstrukturstimulation
beaufschlagt werden. Diese Referenzstrukturstimulation führt zu einer
Strukturantwort des Gesamtsystems in Form mechanischer Schwingungen.
Durch Registrieren des elektrischen Signals eines als Energiewandler zwischen
mechanischer und elektrischer Energie wirkenden Aktuators lässt sich
die Strukturantwort messtechnisch aufzeichnen. Die gemessene Strukturantwort,
z. B. der Übertragungseigenschaften
zwischen aktuatorischer Referenzstimulation und Sensor oder die
Impedanzbestimmung, erlaubt Aussagen über den aktuellen Strukturzustand
des Gesamtsystems, beispielsweise durch Vergleich der gemessenen
Strukturantwort bzw. Ermittlung von Strukturkennwerten mit in einer
Datenbank hinterlegten Referenzstrukturantworten bzw. Referenzstrukturkennwerten.
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Ein
weiterer Vorteil der gleichzeitigen Nutzung zumindest eines Teils
eines Aktuator-Systems als mechanisch-elektrischer Energiewandler
besteht in der Möglichkeit
einer Nutzung als passiver oder semi-aktiver Schwingungsdämpfer. Dabei
wird eine elektronische Schaltung zur Dissipation der elektrischen
Energie eingesetzt.
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Im
einfachsten Fall besteht diese elektronische Schaltung aus einem
ohmschen Widerstand, in dem die elektrische Energie teilweise in
Wärme umgewandelt
wird. Eine noch effizientere Schwingungsdämpfung lässt sich durch zusätzlichen
Einsatz einer oder mehrerer Spulen und/oder eines oder mehrerer Kondensatoren
erzielen. So können
z. B. die mechanischen Schwingungen der Schnittstelle in periodischen
Schwankungen der Ladungen auf den Oberflächen einer Piezokeramik eines
Piezo-Aktuators der Schnittstelle resultieren. Dies entspricht periodisch
schwankenden Ladungen auf den Platten eines Kondensators. Werden
die beiden Platten des Kondensators (also die beiden Ober flächen der
Piezokeramik) z. B. über
einen ohmschen Widerstand und eine Spule miteinander verbunden,
so entspricht die Wirkungsweise der Anordnung der Wirkung eines gedämpften elektrischen
Schwingkreises.
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Eine
weitere Steigerung der Effizienz der Schwingungsdämpfung lässt sich
dadurch erzielen, dass anstelle zumindest einer Spule eine sogenannte "synthetische Induktivität" verwendet wird.
Diese synthetische Induktivität
besteht i. d. R. aus einer Kombination mehrerer ohmscher Widerstände mit
einem oder mehreren Operationsverstärkern. Auf diese Weise lassen
sich höhere
Induktivitäten
erzielen als mit herkömmlichen
Spulen. Dadurch wird die Dämpfung
des Schwingkreises weiter erhöht.
Diese Technik wird beispielsweise in D. Mayer, Ch. Linz, and V.
Krajenski: Synthetische Induktivitäten für die semi-passive Dämpfung,
5. Magdeburger Maschinenbautage, 2001, beschrieben.
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Die
Effizienz der Schwingungsdämpfung lässt sich
weiter erhöhen,
indem mehrere der oben beschriebenen Schnittstellen in einer der
beschriebenen Ausgestaltungen und Beschaltungen in Kaskaden hintereinandergeschaltet
werden. Dabei wird jeweils das Basisanschlusselement der folgenden Schnittstelle
mit dem Lastanschlusselement der vorhergehenden Schnittstelle verbunden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die
in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sie ist jedoch nicht
auf die Beispiele beschränkt.
Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen gleiche oder
funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende
Elemente. Im Einzelnen zeigt:
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1 einen Satelliten mit einer
aktiven Entkopplung von Störquellen
und sensiblen Komponenten entsprechend dem Stand der Technik;
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2 eine strukturmechanische
Schnittstelle zur Schwingungsdämpfung;
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3 eine vereinfachte elektrische
Beschaltung zur aktiven Schwingungsdämpfung der in 2 dargestellten Schnittstelle;
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4 eine Ansteuerung der Aktuator-Systeme
der Schnittstelle in 2 zur
gezielten Verkippung einer Nutzlast;
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5 die möglichen Verkippungsachsen bei einer
Schnittstelle mit in 120°-Rotationssymmetrie angeordneten
Aktuatoren;
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6 eine alternative Ausgestaltung
einer strukturmechanischen Schnittstelle zur Schwingungsdämpfung;
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7 eine weitere alternative
Ausgestaltung einer strukturmechanischen Schnittstelle zur Schwingungsdämpfung;
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8 eine strukturmechanische
Schnittstelle zur Schwingungsdämpfung
in perspektivischer Teildarstellung mit ausgeschnittenem Segment;
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9 eine strukturmechanische
Schnittstelle zur Schwingungsdämpfung
in zwei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen;
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10 eine strukturmechanische
Schnittstelle zur Schwingungsdämpfung
in drei nicht senkrecht aufeinanderstehenden Raumrichtungen;
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11 eine Anordnung zur teilweisen
Nutzung eines Piezo-Aktuators
einer strukturmechanischen Schnittstelle als Sensor für eine Strukturanalyse;
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12 eine elektrische Beschaltung
eines Teils eines Piezo-Aktuators
einer strukturmechanischen Schnittstelle zur passiven Schwingungsdämpfung;
und
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13 eine zu 12 alternative elektrische Beschaltung
eines Teils eines Piezo-Aktuators einer strukturmechanischen Schnittstelle
zur passiven Schwingungsdämpfung.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführung der beschriebenen
Schnittstelle zur Schwingungsdämpfung
dargestellt. Ein Basisanschlusselement 10 ist über eine
Vorspanneinrichtung 12 mit einem Abstützelement 14 verbunden.
Ein erstes Energiewandler-System,
welches aus den Piezo-Aktuatoren 16 und 18 besteht,
erstreckt sich zwischen den Angriffspunkten 20 bzw. 22 auf
dem Basisanschlusselement 10 und den Angriffspunkten 24 bzw. 26 auf
dem Lastanschlusselement 28. Ein zweites Energiewandler-System, welches aus
den Piezo-Aktuatoren 30 und 32 besteht, erstreckt
sich zwischen den Angriffspunkten 34 bzw. 36 auf
dem Abstützelement 14 und den
Angriffspunkten 38 bzw. 40 auf dem Lastanschlusselement 28.
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Die
dargestellte Anordnung zeigt lediglich einen Querschnitt durch die
strukturmechanische Schnittstelle. Die Anordnung dieses Beispiels
ist bis auf die Piezo-Aktuatoren 16, 30, 18, 32 symmetrisch zur
eingezeichneten Symmetrieachse 42. Bei dem Basisanschlusselement 10 handelt
es sich also um eine Kreisscheibe, bei dem Abstützelement 14 um eine
Ringscheibe. Das Lastanschlusselement 28 hat eine zylinderhutförmige Gestalt,
wobei sich ein Teil des Lastanschlusselements im Zwischenraum zwischen
der Vorspanneinrichtung 14 und dem Basisanschlusselement 10 befindet
und ein Teil außerhalb. Die
Vorspanneinrichtung 12 besteht aus einem elastischen Rohr
mit zum Außendurchmesser
der Kreisscheibe des Basisanschlusselements 10 und zum Außendurchmesser
der Ringscheibe des Abstützelements 14 identischen
Durchmesser. Die Vorspannung erfolgt dadurch, dass die Länge des
elastischen Rohrs so gewählt
wird, dass das Rohr im Ruhezustand der Anordnung gedehnt wird. Dadurch
wird gleich zeitig auf alle Piezo-Aktuatoren eine Druckvorspannung
ausgeübt.
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Anstelle
der dargestellten vier Piezo-Aktuatoren können auch mehr als vier Aktuatoren
verwendet werden. Vorzugsweise sind diese Piezo-Aktuatoren rotationssymmetrisch
zur Symmetrieachse 42 angeordnet.
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Das
Basisanschlusselement 10 und das Lastanschlusselement 28 sind
so ausgestaltet, dass eine einfache und schnelle Montage der Schnittstelle
zwischen eine durch Störquellen 1 zu
Schwingungen angeregte Basisseite und eine zu isolierende Last erfolgen
kann. Zu diesem Zweck sind das Basisanschlusselement 10 und
das Lastanschlusselement 28 mit Gewindebohrungen mit Standardmaßen versehen.
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Werden
die Piezo-Aktuatoren 16 und 18 durch gleichartige
elektrische Ansteuerungen verlängert
und die Piezo-Aktuatoren 30 und 32 in gleichem Maße durch
geeignete elektrische Ansteuerungen verkürzt, so wird der Abstand zwischen
Lastanschlusselement 28 und Basisanschlussplatte 10 vergrößert. Entsprechend
wird durch eine Verkürzung der
Piezo-Aktuatoren 16 und 18 und eine gleichzeitige
Verlängerung
der Piezo-Aktuatoren 30 und 32 der Abstand zwischen
Lastanschlusselement 28 und Basisanschlussplatte 10 verringert.
Die elektrischen Ansteuerungen der Piezo-Aktuatoren sind in 2 nicht dargestellt.
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Werden
die Piezo-Aktuatoren 16 und 30 sowie 18 und 32 jeweils
gegenphasig z. B. mit einer sinusförmigen Wechselspannung geeigneten
Amplitude und Frequenz angesteuert, so schwingt das Lastanschlusselement 28 relativ
zum Basisanschlusselement 10 auf und ab. Dies lässt sich
beispielsweise zur aktiven Schwingungsdämpfung nutzen.
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In 3 ist eine elektrische Beschaltung
der Schnittstelle gemäß 2 dargestellt. Ein auf dem Lastanschlusselement 28 fixierter
Beschleunigungssensor 60 ist über einen Phasenschieber 62 mit
dem Eingang einer Regelungselektronik 64 verbunden. Ein
Ausgang der Regelungselektronik 64 ist über einen Nachverstärker 66 mit
den Piezo-Aktuatoren 30 und 32 verbunden. Weiterhin
ist der Ausgang der Regelungselektronik 64 über einen
180°-Phasenschieber 68 und
einen zweiten Nachverstärker 70 mit
den Piezo-Aktuatoren 16 und 18 verbunden.
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Sollen
Schwingungen des Basisanschlusselements 10 vom Lastanschlusselement 28 isoliert werden,
so werden diese Schwingungen mit Hilfe des Beschleunigungssensors 60 detektiert.
Das Sensorsignal wird dann mit Hilfe der Regelungselektronik 64 und
des ersten Phasenschiebers 62 in geeignete gegenphasige
Ansteuersignale für
die Piezo-Aktuatoren 16 und 30 sowie 18 und 32 umgewandelt.
Der erste Phasenschieber 62 kann beispielsweise dazu dienen,
Phasenverschiebungen zwischen der tatsächlichen Bewegung des Lastanschlusselements 28 und
den Sensorsignalen auszugleichen. Diese Notwendigkeit hängt u. a.
von der Wirkungsweise des Sensors 60 ab. Bei sinusförmigen Schwingungen
beispielsweise, in denen eine Phasenverschiebung von 90° zwischen
Beschleunigung und Geschwindigkeit und zwischen Geschwindigkeit
und Position auftritt, müsste
das Signal eines Geschwindigkeitssensors um 90° phasenverschoben werden, um
eine geeignete Längenänderung
der Piezo-Aktuatoren vornehmen zu können. Auch Verzögerungen in
der Regelungselektronik 64 und dadurch entstehende Phasenverschiebungen
können
durch den Phasenschieber 62 ausgeglichen werden.
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Die
in der Regelungselektronik 64 erzeugten Signale werden
in den Nachverstärkern 66 und 70 weiter
verstärkt
und den Aktua toren 30 und 32 bzw. 16 und 18 zugeführt. Der
zweite Phasenschieber 68 ist erforderlich, da die beiden
Aktuator-Systeme 16, 18 und 30, 32 i.
d. R. gegenphasig angesteuert werden müssen.
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Die
Piezo-Aktuatoren 16 und 30 sowie 18 und 32 werden
jeweils zu gegenphasigen Schwingungen angeregt, durch welche die
Schwingungen auf das Lastanschlusselement 28 übertragen
werden. Im Lastanschlusselement 28 überlagern sich die Schwingungen
des Basisanschlusselements 10 mit den durch die Piezo-Aktuatoren angeregten
Schwingungen – bei
geeigneter Phasenwahl – destruktiv,
so dass die Schwingungen des Lastanschlusselements 28 gedämpft werden.
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In
der dargestellten Anordnung sind die Piezo-Aktuatoren 16, 18 des
ersten Aktuator-Systems sowie die Piezo-Aktuatoren 30, 32 des
zweiten Aktuator-Systems jeweils gleichartig ausgestaltet, d. h. gleiche
Ansteuersignale bewirken gleiche Längenänderungen. Daher kann für die Aktuatoren
eines Aktuator-Systems jeweils ein einziger Nachverstärker 66 bzw. 70 verwendet
werden. Werden innerhalb eines Aktuator-Systems unterschiedliche
Aktuatoren verwendet, so müssten
für die
Aktuatoren jeweils unterschiedliche Nachverstärker eingesetzt werden.
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Die
Ansteuerung der Piezo-Aktuatoren ist stark vereinfacht dargestellt.
In der Regel weist jeder Piezo-Aktuator zwei elektrische Anschlüsse auf,
die mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden müssen. Die
Spannungsdifferenz zwischen den elektrischen Anschlüssen bestimmt
die Längenausdehnung
des Piezo-Aktuators.
-
In 4 ist dargestellt, wie durch
eine gezielte Ansteuerung der Piezo-Aktuatoren der Anordnung in 2 auch Kippschwin gungen
des Basisanschlusselements 10 ausgeglichen bzw. gedämpft werden
können.
Indem der Piezo-Aktuator 30 durch ein geeignetes elektrisches
Ansteuersignal auf eine größere Länge eingestellt
wird als der Piezo-Aktuator 32 und entsprechend der Piezo-Aktuator 16 auf
eine geringere Länge
als der Piezo-Aktuator 18,
wird das Lastanschlusselement 28 relativ zur Ebene des
Basisanschlusselements 10 gekippt. Dazu benötigen die Piezo-Aktuatoren 16, 18, 30, 32 (nicht
gezeigte) individuelle elektrische Ansteuerungen.
-
Treten
im Basisanschlusselement 10 Kippschwingungen auf, so können diese
beispielsweise durch Vergleich der Signale verschiedener, an unterschiedlichen
Orten auf der Oberfläche
des Lastanschlusselements 28 angebrachter Sensoren detektiert
werden. Die Signale werden dann mit Hilfe einer Regelungselektronik 64 in
geeignete Ansteuersignale der Piezo-Aktuatoren umgewandelt, so dass
das Lastanschlusselement 28 relativ zum Basisanschlusselement 10 eine
Kippschwingung ausführt,
die sich mit der Kippschwingung des Basisanschlusselements 10 destruktiv überlagert
und diese somit im Lastanschlusselement 28 dämpft.
-
Die
Regelungselektronik 64 kann beispielsweise so aufgebaut
sein, dass aus den Signalen zweier auf dem Lastanschlusselement 28 fixierter Sensoren
ein Summen- und ein Differenzsignal gebildet wird, die in getrennten
Reglern zu Ansteuersignalen für
die Piezo-Aktuatoren umgewandelt werden. Das Ansteuersignal für jeden
Piezo-Aktuator ist dann eine Überlagerung
aus Signalen beider Regler.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel,
in dem lediglich zwei Aktuator-Paare 16 und 30 bzw. 18 und 32 verwendet
werden, ist nur eine Verkippung des Lastanschlusselements 28 um
eine Achse senk recht zur Symmetrieachse 42 möglich. Werden,
wie oben beschrieben, mehr Aktuator-Paare eingesetzt, so sind Verkippungen
um mehrere Achsen senkrecht zur Symmetrieachse 42 möglich. In 5 ist als Beispiel eine
Schnittstelle mit drei Aktuator-Paaren 80, 82, 84 skizzenhaft
in Draufsicht dargestellt. Nur die Aktuator-Paare 80, 82, 84 und
die Kippachsen sind dargestellt. Jedes der Aktuator-Paare 80, 82 und 84 besteht
jeweils aus einem Aktuator, der sich zwischen einem Angriffspunkt
auf dem Basisanschlusselement 10 und einem Angriffspunkt
auf dem Lastanschlusselement 28 erstreckt und einem Aktuator,
der sich zwischen einem Angriffspunkt auf dem Abstützelement 14 und
einem Angriffspunkt auf dem Lastanschlusselement 28 erstreckt.
Die Aktuatoren jeweils eines Aktuator-Paars sind in dieser Ausführung linear senkrecht
zur Zeichenebene angeordnet und daher nicht einzeln zu erkennen.
Die Aktuator-Paare 80, 82, 84 sind 120°-rotationssymmetrisch
um die zur Zeichenebene senkrechte Symmetrieachse 42 angeordnet.
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Die
Anordnung erlaubt eine Verkippung des Lastanschlusselements 28 um
die drei Kippachsen 88, 90 und 92, welche
jeweils senkrecht zur Symmetrieachse 42 angeordnet sind.
-
Die
Anordnung bietet den Vorteil, dass neben Kippschwingungen um verschiedene
Achsen auch Torsionsschwingungen des Basisanschlusselements 10 gedämpft werden
können.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Aktuator-Paare 80, 82 und 84 zyklisch
angesteuert werden.
-
In 6 ist ein Beispiel dargestellt,
welches zeigt, dass die Angriffspunkte eines der Aktuatoren eines
Aktuator-Paares nicht in einer Linie angeordnet sein müssen. Das
Lastanschlusselement 28 ist in dieser Ausführung so
ausgestaltet, dass die Summe der Abstände zwischen den Angriffspunkten 34 bzw. 36 und 38 bzw. 40 und
der Abstände
zwischen den Angriffspunkten 24 bzw. 26 und 20 bzw. 22 größer ist als
der Abstand zwischen dem Basisanschlusselement 10 und dem
Abstützelement 14.
Mit anderen Worten, das Lastanschlusselement 28 kann so
ausgestaltet werden, dass die Summe der Längen eines Aktuator-Paares 16, 30 bzw. 18, 32 nicht
dem Abstand zwischen Basisanschlusselement 10 und Abstützelement 14 entsprechen
muss. Es sind auch Ausgestaltungen möglich, bei denen die Länge eines einzelnen
Aktuators den Abstand zwischen Basisanschlusselement 10 und
Abstützelement 14 überschreitet.
-
Dadurch
kann auf verschiedene Längen
von Aktuatoren zurückgegriffen
werden, ohne dass die äußere Bauform,
die im wesentlichen durch den Abstand zwischen Basisanschlusselement 10 und
Abstützelement 14 bestimmt
wird, signifikant geändert werden
muss. Da die maximale Längenänderung
eines Piezo-Aktuators von der Baulänge des Piezos abhängt, kann
so durch die Verwendung längerer
Piezo-Aktuatoren eine Verlängerung
des Stellwegs der Schnittstelle erzielt werden. Weiterhin lassen
sich durch die Verwendung verschiedener Piezo-Aktuatoren Schwingungen
unterschiedlicher Schwingungsfrequenzen dämpfen, da auch die Resonanzfrequenz der
Piezo-Aktuatoren signifikant von der Baulänge der Piezokeramik abhängt.
-
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, welches zeigt, dass die sich zwischen Angriffspunkten
auf dem Basisanschlusselement 10 und dem Lastanschlusselement 28 erstreckenden
Aktuatoren 100 und die sich zwischen Angriffspunkten auf dem
Abstützelement 14 und
auf dem Lastanschlusselement 28 erstreckenden Aktuatoren 106 nicht
auf der gleichen Seite der Symmetrieachse 42 angeordnet
sein müssen.
Ein Piezo-Aktuator 100 erstreckt sich zwischen einem Angriffspunkt 102 auf
dem Basisanschlusselement 10 und einem Angriffspunkt 104 auf
dem Lastanschlusselement 28. Ein weiterer Piezo-Aktuator 106 erstreckt
sich zwischen einem Angriffspunkt 108 auf dem Lastanschlusselement 28 und
einem Angriffspunkt 110 auf dem Abstützelement 14.
-
In
vielen Fällen
werden die Aktuatoren so angeordnet, das sich insgesamt die auf
das Lastanschlusselement 28 ausgeübten Drehmomente gegenseitig
aufheben. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Aktuatoren stets
unter einer Druckvorspannung stehen. In der in 7 dargestellten Anordnung kann dies z.
B. dadurch erfolgen, dass benachbart zu dem Piezo-Aktuator 106 weitere,
in dieser Schnittdarstellung nicht abgebildete, – Piezo-Aktuatoren angeordnet
werden, welche sich zwischen Angriffspunkten auf dem Basisanschlusselement 10 und
Angriffspunkten auf dem Lastanschlusselement 28 erstrecken
und so das durch den Piezo-Aktuator 106 auf das Lastanschlusselement 28 ausgeübte Drehmoment
kompensieren. Beispielsweise kann die Anordnung sechs 120°-rotationssysymmetrische
Piezo-Aktuatoren aufweisen. Diese sind so angeordnet, dass sich
jeweils ein Aktuator des ersten Aktuator-Systems (d. h. Erstreckung
zwischen Angriffspunkten auf dem Basisanschlusselement 10 und dem
Lastanschlusselement 28) und ein Aktuator des zweiten Aktuator-Systems (d. h. Erstreckung
zwischen Angriffspunkten auf dem Abstützelement 14 und dem
Lastanschlusselement 28) relativ zur Symmetrieachse 42 gegenüberliegen.
Benachbarte Aktuatoren gehören
zu unterschiedlichen Aktuator-Systemen.
-
In 8 ist eine Schnittstelle
zur Schwingungsdämpfung
in perspektivischer Teildarstellung mit ausgeschnittenem Segment
dargestellt. Ein Piezo-Aktuator 130 erstreckt sich zwischen
einem Angriffspunkt 132 auf dem Basisanschlusselement 10 und
einem Angriffspunkt 134 auf dem Lastanschlusselement 28.
Ein weiterer Piezo-Aktuator 136 erstreckt sich zwischen
einem An griffspunkt 138 auf dem Lastanschlusselement 28 und
einem Angriffspunkt 140 auf dem Abstützelement 14.
-
In
dieser Darstellung ist zu erkennen, dass sowohl das Basisanschlusselement 10 als
auch die Oberfläche
des Lastanschlusselements 28 für Montagezwecke frei zugänglich sind.
Die Vorspanneinrichtung 12 ist als elastisches, zylindrisches
Rohr ausgestaltet, welches die Aktuator-Systeme vollständig umschließt und diese
so vor unerwünschten
Belastungen durch Scherkräfte
senkrecht zu ihrer Vorzugsrichtung und vor Umwelteinwirkungen schützt. Die
elektrischen Zuführungen
zu den – Piezo-Aktuatoren
können
beispielsweise durch eine Öffnung 142 im
Basisanschlusselement 10 zu den Piezo-Aktuatoren 130 und 136 geführt werden.
-
In 9 ist eine Draufsicht auf
eine Anordnung dargestellt, welche den Einsatz der Erfindung zur
Schwingungsdämpfung
in verschiedenen Raumrichtungen zeigt. Ein aus den Piezo-Aktuatoren 160 und 162 bestehendes
Aktuator-System erstreckt sich zwischen den Angriffspunkten 164 bzw. 166 auf
dem Basisanschlusselement 10 und den Angriffspunkten 168 bzw. 170 auf
dem Lastanschlusselement 28. Ein aus den Piezo-Aktuatoren 172 und 174 bestehendes Aktuator-System
erstreckt sich zwischen den Angriffspunkten 176 bzw. 178 auf
einem ersten Abstützelement 180 und
den Angriffspunkten 182 bzw. 184 auf dem Lastanschlusselement 28.
Die Aktuatoren 160, 162, 172 und 174 weisen
dieselbe Raumrichtung (im Folgenden als X-Richtung bezeichnet) als Vorzugsrichtung
auf.
-
Ein
aus den Piezo-Aktuatoren 190 und 192 bestehendes
Aktuator-System
erstreckt sich zwischen den Angriffspunkten 194 bzw. 196 auf
dem Basisanschlusselement 10 und den Angriffspunkten 198 bzw. 200 auf
dem Lastanschlusselement 28. Ein aus den – Piezo-Aktuatoren 202 und 204 bestehendes
Aktuator-System erstreckt sich zwischen den Angriffspunkten 206 bzw. 208 auf
einem zweiten Abstützelement 210 und
den Angriffspunkten 212 bzw. 214 auf dem Lastanschlusselement 28.
Die Aktuatoren 190, 192, 202 und 204 weisen
dieselbe Raumrichtung (im Folgenden als Y-Richtung bezeichnet) als Vorzugsrichtung
auf, wobei diese Raumrichtung senkrecht zur obengenannten Vorzugsrichtung
der Aktuatoren 160, 162, 172 und 174 steht.
-
Das
Abstützelement 14 besteht
in diesem Ausführungsbeispiel
aus zwei separaten Abstützelementen 180 und 210.
Diese sind jeweils mit einer Vorspanneinrichtung 216 bzw. 218 (beispielsweise einem
Gummiquader) mit dem Basisanschlusselement 10 verbunden.
-
Die
Montage einer Last auf das in diesem Beispiel einen kreuzförmigen Querschnitt
aufweisende Lastanschlusselement 28 kann dadurch erfolgen, dass
das Lastanschlusselement zusätzlich
eine ebene Montageplatte aufweist, welche auf das Kreuz des Lastanschlusselements
aufgebracht ist.
-
Die
Anordnung weist verschiedene Vorteile auf. Zum einen können transversale
Schwingungen des Basisanschlusselements 10 in X- und Y-Richtung durch
geeignete Ansteuerungen der Piezo-Aktuatoren gedämpft werden. Dabei kann für jede Raumrichtung
beispielsweise eine elektronische Schaltung zur aktiven Schwingungsdämpfung analog
zu der in 3 beschriebenen
Schaltung eingesetzt werden. Zusätzlich
können
auch Kippschwingungen des Basisanschlusselements 10 gegen
die X- bzw. Y-Achse durch geeignete Ansteuerung der Piezo-Aktuatoren analog
zu 4 ausgeglichen werden.
-
Durch
die Vorspanneinrichtungen 216 und 218 werden die
Piezo-Aktuatoren
in die beiden Raumrichtungen unterschiedlich vorgespannt. Dies kann
für Anwendungen
von Vorteil sein, bei denen beispielsweise aufgrund unterschiedlicher
zu erwartender Schwingungen in X- und Y-Richtung in diesen beiden
Raumrichtungen unterschiedliche Arten von Piezo-Aktuatoren eingesetzt
werden sollen.
-
Zusätzlich zu
den hier dargestellten Aktuatoren in X- und Y-Richtung lassen sich analog auch noch
zusätzliche
Aktuatoren in der zur X- und Y-Richtung senkrechten Raumrichtung
einsetzen. Auch hierfür
bietet sich wieder ein separates Abstützelement an. Vorzugsweise
ist dieses Abstützelement wieder
so ausgestaltet, dass das Lastanschlusselement 28 für Montagezwecke
frei zugänglich
ist.
-
In 10 ist eine zu 9 alternative Anordnung
zur Schwingungsdämpfung
in verschiedenen Raumrichtungen dargestellt. Die Anordnung weist, wie
die Anordnung in 9,
wiederum ein Basisanschlusselement 10 und zwei Abstützelemente 180 und 210 auf,
die mit dem Basisanschlusselement 10 über die Vorspanneinrichtungen 216 bzw. 218 verbunden
sind. Ein erster Piezo-Aktuator 230 erstreckt sich zwischen
einem Angriffspunkt 232 auf dem Basisanschlusselement 10 und
einem Angriffspunkt 234 auf dem Lastanschlusselement 28.
Ein zweiter Piezo-Aktuator 236 erstreckt sich zwischen
einem Angriffspunkt 238 auf dem Abstützelement 180 und
einem Angriffspunkt 240 auf dem Lastanschlusselement 28.
Ein dritter Piezo-Aktuator 242 erstreckt sich zwischen
einem Angriffspunkt 244 auf dem Abstützelement 210 und
einem Angriffspunkt 246 auf dem Lastanschlusselement 28.
-
Die
Anordnung zeigt, dass es nicht zwingend erforderlich ist, dass jeweils
ein sich zwischen dem Basisanschlusselement 10 und dem
Lastanschlusselement 28 erstreckender Aktuator und ein
sich zwischen einem Abstützelement
und dem Lastanschlusselement 28 erstreckender Aktuator
gleiche Vorzugrichtung aufweisen.
-
Alternativ
zu der in 10 dargestellten
Anordnung lassen sich auch noch weitere Piezo-Aktuatoren zur Dämpfung von
Schwingungen in weiteren Raumrichtungen einsetzen. So könnten beispielsweise
vier Piezo-Aktuatoren und drei Abstützelemente so angeordnet werden,
dass die Piezo-Aktuatoren jeweils in die Ecken eines auf einer seiner
Spitze stehenden Tetraeders weisen.
-
In 11 ist dargestellt, wie
ein Piezo-Aktuator als Sensor für
eine Strukturanalyse genutzt werden kann. Es handelt sich um eine
Detailansicht eines beliebigen Piezo-Aktuators aus einem der oben angeführten Ausführungsbeispiele,
also beispielsweise um den Piezo-Aktuator 16 in 2. Der Piezo-Aktuator besteht
in diesem Beispiel aus einem Stapel mehrerer Piezokeramik-Elemente.
-
Durch
eine variable Spannungsquelle 260 wird der Piezo-Aktuator 16 mit
einer bestimmten Spannung beaufschlagt, wobei der Schalter 262 zunächst geschlossen
ist. Wird dann der Schalter 262 schlagartig geöffnet, so ändert sich
die Länge
des Piezo-Aktuators 16 plötzlich.
Das Gesamtsystem, also auch die hier nicht dargestellten anderen
Elemente wie z. B. das Lastanschlusselement 28, beginnt
zu schwingen. Man bezeichnet dies als die Strukturantwort des Gesamtsystems
auf die Stimulation durch Öffnen
des Schalters 262.
-
Die
Schwingungen des Gesamtsystems wiederum bewirken einen sich periodisch ändernden Druck
auf den Piezo-Aktuator 16. Diese Druckschwankungen resultieren
aufgrund des Piezoeffektes in Schwankungen der elektrischen Spannung zwischen
den Elektroden 264 und 266 eines Piezokeramik-Elements 268 des
Piezo-Aktuators 16.
Mit Hilfe eines Messgerätes 270 lassen
sich diese Spannungsschwankungen registrieren und aufzeichnen.
-
Anstelle
eines einfachen Ausschaltens der an den Piezo-Aktuator 16 angelegten
Spannung lässt
sich das Gesamtsystem auch noch durch andere Spannungsverläufe stimulieren.
Beispielsweise kann eine einfache Sinusspannung verwendet werden
oder ein Spannungspuls. Die jeweilige Strukturantwort des Gesamtsystems
auf verschiedene Arten von Stimulationen lassen sich durch Vergleich
mit Simulationswerten oder durch Vergleich mit Referenzstrukturantworten
für eine
Systemanalyse des Gesamtsystems nutzen. Wird beispielsweise die
Strukturschnittstelle in einen Trägerarm eines Satellitensystems
oder in ein Feder-Dämpfer-System
im Fahrwerksbereich eines Kraftfahrzeugs integriert, so können durch
regelmäßige Strukturanalysen
z. B. frühzeitig
Defekte (z. B. durch Materialermüdung
etc.) detektiert und geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
-
Weiterhin
kann das als Sensor wirkende Piezokeramik-Element 268 in 11 auch für eine aktive
Schwingungsdämpfung
gemäß 3 eingesetzt werden. Anstelle
des Signals des Beschleunigungssensors 60 in 3 wird nun die zwischen
den Elektroden 264 und 266 abfallende Spannung
(nach geeigneter Phasenverschiebung im Phasenschieber 62)
als Eingangssignal für
die Regelungselektronik 64 verwendet. Auf diese Weise kann
auf das zusätzliche
Einbringen eines Sensors in die Schnittstelle verzichtet werden.
-
In
den 12 und 13 sind mögliche Beschaltungen der Energiewandler
zur Schwingungsdämpfung
dargestellt. Es handelt sich wiederum um einen beliebigen Piezo-Aktuator
der Schnittstelle, wobei auch mehrere Aktuatoren gleichzeitig in
dieser oder ähnlicher
Weise beschaltet werden können.
Im Folgenden wird angenommen, dass es sich um den Aktuator 16 handelt,
welcher sich zwischen dem Basisanschlusselement 10 und
dem Lastanschlusselement 28 erstreckt. Das Basisanschlusselement 10 und
das Lastanschlusselement 28 sind stark vereinfacht dargestellt,
die Angriffspunkte 20 und 24 und die übrigen Komponenten
der Schnittstelle sind aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt.
-
Der
Piezo-Aktuator 16 in den 12 und 13 ist, ähnlich zu der in 11 dargestellten Anordnung, wieder
als Stapel mehrerer (in diesem Fall sechzehn) Piezokeramikelemente
ausgestaltet. Die (von der Seite des Basisanschlusselements 10 her
gezählt) Piezokeramikelemente 7 bis 13 sind
derart zu einer Einheit 280 zusammengefasst, dass das elektrische Potenzial
dieser Einheit zwischen einem dem Basisanschlusselement 10 naheliegenden
Anschluss 282 der Einheit 280 und einem dem Lastanschlusselement 28 naheliegenden
Anschluss 284 der Einheit 280 abgegriffen werden
kann.
-
In 12 sind die Anschlüsse 282 und 284 mit
jeweils einem Ende eines ohmschen Widerstands 286 verbunden.
Weiterhin ist der Anschluss 282 mit Massepotenzial verbunden.
In 13 ist der Anschluss 282 mit
einer Induktivität 288 verbunden. Diese
Induktivität 288 ist
mit einem ohmschen Widerstand 286 verbunden, welcher wiederum
mit dem Anschluss 284 verbunden ist. Weiterhin ist der
Anschluss 282 mit Massepotenzial verbunden. Wenn das Lastanschlusselement 28 relativ
zum Basisanschlusselement 10 mechanische Schwingungen ausführt, so
resultiert dies in periodisch schwankendem Druck auf den Piezo-Aktuator 16.
Diese Druckschwankungen führen
aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu Schwankungen der Ladung
auf den gegenüberliegenden
Oberflächen
der Einheit 280. Diese Ladungsschwankungen resultieren
in einer Schwankung der Spannung zwischen den Anschlüssen 282 und 284,
was zu einem periodischen Stromfluss durch die elektrische Beschaltung
führt.
-
Die
Anordnung in 13 wirkt
wie ein aus einer Kapazität,
einer Induktivität
und einem ohmschen Widerstand bestehender gedämpfter Serienschwingkreis.
Die Anschlüsse 282 und 284 wirken
dabei wie die Platten eines Kondensators, deren Ladung periodisch
variiert. Bei jeder Schwingung wird ein Teil der elektrischen Energie
im Ohmschen Widerstand 286 in thermische Energie umgewandelt
und die Schwingung dadurch gedämpft.
Die Auswahl geeigneter ohmscher Widerstände und Induktivitäten erfolgt
entsprechend dem in N.W. Hagood and A. von Flotow: Damping of Structural
Vibrations wich Piezoelectric Materials and Passive Electrical Networks,
Journal of Sound and Vibration 146 (2), 243 (1991) beschriebenen
Verfahren.
-
- 1
- interne
Störquellen
- 2
- aktives
Element
- 3
- aktives
Element
- 4
- Übertragungswege
- 5
- empfindliche
Elemente
- 10
- Basisanschlusselement
- 12
- Vorspanneinrichtung
- 14
- Abstützelement
- 16
- Piezo-Aktuator
des ersten Aktuator-Systems zwischen Basis
-
- anschlusselement 10 und
Lastanschlusselement 28
- 18
- Piezo-Aktuator
des ersten Aktuator-Systems zwischen Basis
-
- anschlusselement 10 und
Lastanschlusselement 28
- 20
- Angriffspunkt
des Aktuators 16 auf dem Basisanschlussele
-
- ment 10
- 22
- Angriffspunkt
des Aktuators 18 auf dem Basisanschlussele
-
- ment 10
- 24
- Angriffspunkt
des Aktuators 16 auf dem Lastanschlussele
-
- ment 28
- 26
- Angriffspunkt
des Aktuators 18 auf dem Lastanschlussele
-
- ment 28
- 28
- Lastanschlusselement
- 30
- Piezoaktuator
des zweiten Aktuator-Systems zwischen Ab
-
- stützelement 15 und
Lastanschlusselement 28
- 32
- Piezoaktuator
des zweiten Aktuator-Systems zwischen Ab
-
- stützelement 15 und
Lastanschlusselement 28
- 34
- Angriffspunkt
des Piezoaktuators 30 auf dem Abstützelement
-
-
14
- 36
- Angriffspunkt
des Piezoaktuators 32 auf dem Abstützelement
-
-
14
- 38
- Angriffspunkt
des Piezoaktuators 30 auf dem Lastelement 28
- 40
- Angriffspunkt
des Piezoaktuators
-
- 32 auf
dem Lastelement 28
- 42
- Symmetrieachse
- 60
- Beschleunigungssensor
- 62
- Phasenschieber
- 64
- Regelungselektronik
- 66
- erster
Nachverstärker
- 68
- 180°-Phasenschieber
- 70
- zweiter
Nachverstärker
- 80
- erstes
Aktuator-Paar
- 82
- zweites
Aktuator-Paar
- 84
- drittes
Aktuator-Paar
- 88
- Kippachse
- 90
- Kippachse
- 92
- Kippachse
- 100
- Piezo-Aktuator
- 102
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 100 auf dem Basisan
-
- schlusselement
- 104
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 100 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 106
- Piezo-Aktuator
- 108
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 106 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 110
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 106 auf dem Abstützele
-
- ment
- 130
- Piezo-Aktuator
- 132
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 130 auf dem Basisan
-
- schlusselement
- 134
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 130 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 136
- Piezo-Aktuator
- 138
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 136 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 140
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 136 auf dem Abstützele
-
- ment
- 142
- Öffnung im
Basisanschlusselement für
elektrische Zuführun
-
- gen
zu den Piezo-Aktuatoren
- 160
- Piezo-Aktuator
- 162
- Piezo-Aktuator
- 164
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 160 auf dem Basisan
-
- schlusselement
- 166
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 162 auf dem Basisan
-
- schlusselement
- 168
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 160 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 170
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 162 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 172
- Piezo-Aktuator
- 174
- Piezo-Aktuator
- 176
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 172 auf dem Abstützele
-
- ment 180
- 178
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 174 auf dem Abstützele
-
- ment 180
- 180
- Abstützelement
- 182
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 172 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 184
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 174 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 190
- Piezo-Aktuator
- 192
- Piezo-Aktuator
- 194
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 190 auf dem Basisan
-
- schlusselement
- 196
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 192 auf dem Basisan
-
- schlusselement
- 198
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 190 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 200
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 192 auf dem Lastan
-
- schlusselement
- 202
- Piezo-Aktuator
- 204
- Piezo-Aktuator
- 206
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 202 auf dem Abstützele
-
- ment 210
- 208
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 204 auf dem Abstützele
-
- ment 210
- 210
- Abstützelement
- 212
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 202 auf dem Lastan
-
- schlusselement 28
- 214
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 204 auf dem Lastan
-
- schlusselement 28
- 216
- Vorspanneinrichtung
- 218
- Vorspanneinrichtung
- 230
- Piezo-Aktuator
- 232
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 230 auf dem Basisan
-
- schlusselement 10
- 234
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 230 auf dem Lastan
-
- schlusselement 28
- 236
- Piezo-Aktuator
- 238
- Angriffspunkts
des Piezo-Aktuators 236 auf dem Abstützele
-
- ment 180
- 240
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 236 auf dem Lastan
-
- schlusselement 28
- 242
- Piezo-Aktuator
- 244
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 242 auf dem Abstützele
-
- ment 210
- 246
- Angriffspunkt
des Piezo-Aktuators 242 auf dem Lastan
-
- schlusselement 28
- 260
- variable
Spannungsquelle
- 262
- Schalter
- 264
- erste
Elektrode des Piezokeramik-Elements 268
- 266
- zweite
Elektrode des Piezokeramik-Elements 268
- 268
- Piezokeramik-Element
- 270
- Messgerät
- 280
- zusammengefasste
Einheit aus Piezokeramikelementen des –
-
- Piezo-Aktuators 16
- 282
- dem
Basisanschlusselement 10 naheliegender Anschluss der
-
- Einheit 280
- 284
- dem
Lastanschlusselement 28 naheliegender Anschluss der
-
- Einheit 280
- 286
- ohmscher
Widerstand
- 288
- Induktivität
-
Liste der zitierten Literatur:
-
-
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