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Die vorliegende Erfindung betrifft die Absorption von Schwingungen mit Hilfe von Hybridstrukturen mit negativer und positiver Poissonzahl.
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Mit der rasanten Entwicklung der Weltraumtechnologien hat die Bedeutung von Weltraumkameras mit großer Blende und hoher Auflösung in den Bereichen der zivilen, kommerziellen, militärischen und astronomischen Forschung zugenommen. Mikrovibrationen mit geringer Amplitude und breitem Frequenzbereich, die von störenden Vibrationsquellen an Raumfahrzeugen verursacht werden, beeinträchtigen jedoch die Bildqualität der Weltraumkameras erheblich. Reaktionsräder stehen bei diesen Quellen im Vordergrund, da sie für die Orientierungsbewegungen der Satelliten sorgen. Diese Einheiten sind eine der Hauptkomponenten vieler Raumfahrzeuge für verschiedene Zwecke und die weiterhin während des Betriebs von Einheiten wie Kamera-Antennen arbeiten und Mikrovibrationen produzieren. Mikrovibrationen sind komplexe Störungen, die schwer zu messen und zu unterdrücken sind, da sie eine geringe Amplitude haben und in einem breiten Frequenzbereich auftreten können. Die Tatsache, dass diese Schwingungen auf Plattformen auftreten, in die während des Betriebs nicht eingegriffen werden kann, erfordert einfache und zuverlässige Lösungen. Die in Raumfahrtsystemen zu verwendenden Materialien haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Arbeitsbedingungen andere Anforderungen als die der Luftfahrt und der allgemeinen Technik. Bei Weltraumteilen, die aus Gründen wie Schwerkraftschwankungen oder der natürlichen Vakuumumgebung des Weltraums entwickelt werden, wird erwartet, dass sie einen präzisen mechanischen und thermischen Charakterisierungsprozess durchlaufen. Aus diesem Grund kann die Verwendung von metallischen Materialien erhebliche Vorteile bieten. Außerdem sollten die Absorptionsleistungen der verwendeten Absorber bei niedrigen Frequenzen ausreichend sein. Die niedrigste Frequenz, die sie absorbieren können, hängt davon ab, wie niedrig die Steifigkeitskoeffizienten der Absorber sind. Diese Steifigkeitskoeffizienten sollten so gewählt werden, dass die Eigenfrequenzen, die die Absorber in das von ihnen getragene System einbringen, niedriger sind als die Schwingungsfrequenzen, die das System belasten. Dies führt dazu, dass die metallischen Halterungsstrukturen für eine passive Absorption zu starr sind. Der Grund dafür ist, dass die Verringerung der Steifigkeit von Halterungsstrukturen mit herkömmlichen Verfahren auch zu einer Verringerung der Festigkeit dieser Strukturen gegenüber anderen Belastungen führt, die bei Raumfahrtanwendungen vorgesehen sind.
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Ein innovativer Designansatz wird offenbart, der auf dem besagten Optimierungsdreieck basiert, insbesondere bei Raumfahrtanwendungen, unter Berücksichtigung der besagten Designkriterien. Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, zwei geometrische Grundstrukturen ineinander zu verteilen und so den mechanischen Nettoeffekt zu optimieren. Wie bereits erwähnt, werden Gummistrukturen auf Polymerbasis als schwingungsdämpfende Materialien in Ausrüstungsverbindungen verwendet, bei denen das Schwingungskriterium wichtig ist. Materialien auf Polymerbasis, die in Raumfahrtsystemen verwendet werden, sollten jedoch weltraumtauglich entwickelt werden, d. h. die Ausgasungseigenschaften des Materials in der Weltraumumgebung müssen den Weltraumkriterien entsprechen. Andernfalls können die Materialien in der Vakuumumgebung einen Masseverlust erleiden und erhebliche Schäden am Raumfahrzeug verursachen. Die Entwicklung entsprechender weltraumtauglicher Materialien ist ein sehr schwieriger Prozess. Anstelle der genannten polymeren Materialien wird ein Ansatz vorgestellt, der auch die Gewichtszunahme berücksichtigt. Hierbei handelt es sich um den grundlegenden Ansatz, niedrige Steifigkeitswerte vor allem in Lastanschlussbereichen von Strukturen wie z.B. Halterungen durch die gemeinsame Verwendung von Strukturen mit negativer und positiver Poissonzahl zu verwenden.
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Die Poissonzahl ist definiert als der negative Wert des Verhältnisses von Querdehnung zu Axialdehnung bei einachsigem Spannungszustand. Wird eine Zuglast auf ein Material ausgeübt, dehnt sich das Material in die Richtung aus, in der die Last ausgeübt wird. Wird dagegen eine Druckbelastung aufgebracht, so verengt sich das Material in der Richtung, die senkrecht zur Druckbelastung verläuft. Wenn man davon ausgeht, dass die Gesamtmenge der Materie fixiert ist, muss das Material der Dimensionsänderung durch Verengung oder Erweiterung im axialen Bereich entsprechen. Diese Beziehung zwischen axialer und lateraler Flächenformänderung wird nach dem Namen ihres Erfinders als Poissonzahl bezeichnet. In der Natur weisen Materialien in der Regel eine positive Poissonzahl auf, d. h. sie ziehen sich unter Zugbelastung zusammen, während sie sich unter Druckbelastung ausdehnen. Mit der Einführung der additiven Fertigungstechnologien in technischen Anwendungen ist es jedoch möglich geworden, Formen mit komplexen Geometrien herzustellen, wodurch sich die Möglichkeit der Beeinflussung der Poissonzahl verbessert hat. Strukturen mit negativer und positiver Poissonzahl werden senkrecht zur Schwingungsbelastung angeordnet, um Bereiche mit niedrigen Steifigkeitskoeffizienten zu erhalten, insbesondere an den Verbindungsstellen der Reaktionsradhalterungen. Laterale Verformungen aufgrund von Druck- oder Zugbelastungen in Bereichen mit positiver und negativer Poissonzahl tendieren in dieselbe Richtung, so dass diese Bereiche den gegenseitigen lateralen Verformungen nicht standhalten und den Gesamtsteifigkeitswert des Bereichs verringern.
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Das zum bekannten Stand der Technik gehörende Patentdokument
EP 3339677 B1 des Europäischen Patentamts beschreibt eine energieabsorbierende Struktur zum Schutz gegen mechanische und akustische Einwirkungen, die in Luftfahrzeugen eingesetzt wird. Zusätzlich zu den Materialien mit unterschiedlichen Poissonzahlen wird ein dazwischen liegendes Elastomerbauteil erwähnt.
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Dank eines erfindungsgemäßen Absorbers soll die erforderliche Absorption von Schwingungen, insbesondere von Mikroschwingungen, unter Einhaltung des Steifigkeitskoeffizienten gewährleistet werden, ohne die Festigkeit der Halterungsstruktur zu verringern.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den entwickelten Absorber praktisch, effektiv, effizient und zuverlässig zu gestalten, seine Lebensdauer zu verlängern und einen Gewichtsgewinn zu ermöglichen. Gewichtsreduzierung ist vor allem bei Raumfahrtsystemen von entscheidender Bedeutung.
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Zur Erreichung des Ziels der vorliegenden Erfindung umfasst der im ersten Anspruch und in den davon abhängigen Ansprüchen definierte Absorber mindestens eine in Luft- und/oder Raumfahrzeugen verwendete Quelle, die während ihres Betriebs zusätzlich zu ihrer Funktion Schwingungen verursacht, eine Halterung zur Befestigung der Quelle, die es ermöglicht, die Quelle an dem Ort zu befestigen, an dem sie funktionieren soll, mindestens einen ersten Teil, der aufgrund seiner Konstruktion eine negative Poissonzahl aufweist, mindestens einen zweiten Teil, der aufgrund seiner Konstruktion eine positive Poissonzahl aufweist, mindestens eine Vorrichtung, die sowohl an der Quelle als auch an der Halterung befestigt ist, um zwischen ihnen angeordnet zu sein, und die den ersten Teil und den zweiten Teil umfasst und es ermöglicht, die von der Quelle verursachten Vibrationen fast vollständig zu eliminieren.
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Der Absorber gemäß der Erfindung umfasst mindestens eine Vorrichtung, in der der erste Teil und der zweite Teil, die durch ein additives Herstellungsverfahren aus einem einzigen Material in einem Stück geformt wurden, zusammengehalten werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Vorrichtung, die durch die Herstellung der Teile mit negativer und positiver Poissonzahl in einem Stück hergestellt wird, so dass sich eines der Teile in der Mitte befindet und das andere das andere umgibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Vorrichtung, die durch die Herstellung der Teile mit negativer und positiver Poissonzahl in einem Stück hergestellt wird, so dass sich der Teil mit negativer Poissonzahl in der Mitte befindet und der Teil mit positiver Poissonzahl den anderen umgibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Vorrichtung, die durch die Herstellung der Teile mit negativer und positiver Poissonzahl in einem Stück erhalten wird, so dass sich der Teil mit negativer Poissonzahl radial in der Richtung senkrecht zur Richtung der Schwingungsbelastung erstreckt und der Teil mit positiver Poissonzahl den anderen Teil kreisförmig umgibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Vorrichtung, die durch die Herstellung der Teile mit negativer und positiver Poissonzahl in einem Stück in kreisförmiger Form hergestellt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Vorrichtung, in der die Absorptionsfunktion mit einem metallischen Material ausgeführt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Vorrichtung, die durch Zusammenfügen von Teilen aus AlSi10Mg- oder AlSi7Mg-Materialien gebildet wird, um die Absorptionsfunktion auszuführen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber einen Körper, der durch die Befestigung von mehr als einer Vorrichtung an der Halterung gebildet wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber einen Körper, der durch die Befestigung der Vorrichtungen an sechs gleich weit voneinander entfernten Punkten an der Halterung gebildet wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber einen Körper, der durch die Herstellung der Halterung und der Vorrichtung in einem Stück gebildet wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Platte, die die Verbindung zwischen der Quelle und der Vorrichtung herstellt und es ermöglicht, die Quelle auf die Vorrichtung zu richten, um die Absorption der von der Quelle verursachten Schwingungen zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Platte, die fast die gleiche Form wie die Vorrichtung hat und die abnehmbar an der Vorrichtung montiert werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber eine Vorrichtung, in der ein additives Pulverbett-Herstellungsverfahren als Produktionsverfahren verwendet wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber einen Körper, bei dem als Herstellungsverfahren ein additives Pulverbettverfahren verwendet wird.
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Der Absorber, der zur Erreichung des Ziels der vorliegenden Erfindung realisiert wird, ist in den beigefügten Figuren gezeigt, wobei in diesen Figuren:
- 1 eine Querschnittsansicht der Vorrichtung ist,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung ist,
- 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung ist,
- 4 eine perspektivische Ansicht des Absorbers ist,
- 5 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung ist.
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Die in den Abbildungen dargestellten Teile sind jeweils mit einem Bezugszeichen versehen, und die entsprechenden Begriffe dieser Nummern sind nachstehend aufgeführt.
- 1
- Absorber
- 2
- Erster Teil
- 3
- Zweiter Teil
- 4
- Vorrichtung
- 5
- Körper
- 6
- Platte
- (K)
- Quelle
- (B)
- Halterung
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Der Absorber (1) umfasst mindestens eine in Luft- und/oder Raumfahrzeugen vorgesehene Quelle (K), die Schwingungen auf das Fahrzeug überträgt, eine unter der Quelle (K) angeordnete Halterung (B), die die Befestigung der Quelle (K) an dem Luft- und/oder Raumfahrzeug ermöglicht, mindestens ein erstes Teil (2) mit einer negativen Poissonzahl, mindestens ein zweites Teil (3) mit einer positiven Poissonzahl und mindestens eine Vorrichtung (4), die zwischen der Quelle (K) und der Halterung (B) angeordnet ist, das erste Teil (2) und das zweite Teil (3) aufweist und eine fast vollständige Absorption der von der Quelle (K) übertragenen Schwingungen ermöglicht. (1)
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Der Absorber (1) der Erfindung umfasst mindestens eine Vorrichtung (4) mit dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3), die aus dem gleichen Material in einem Stück miteinander durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt sind. (2)
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Die Quelle (K) verursacht bei der Ausübung ihrer Funktion Schwingungen, die die Leistung anderer Elemente in Luft- und/oder Raumfahrzeugen beeinträchtigen. Um diese Vibration optimal zu verhindern, wird eine Vorrichtung (4) verwendet, die durch Zusammenführen des ersten Teils (2) und des zweiten Teils (3) gebildet wird. Die Vorrichtung (4) absorbiert die Vibrationen, indem sie zwischen der Halterung (B), die die Befestigung der Quelle (K) an dem Fahrzeug ermöglicht, und der Quelle (K) selbst angebracht wird.
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Durch die Herstellung des ersten Teils (2) und des zweiten Teils (3) in einem Stück wird ein Absorber (1) mit einem niedrigen Steifigkeitskoeffizienten erhalten. Dennoch wird verhindert, dass die Haltbarkeit der Halterung (B) abnimmt. Die Herstellung des ersten Teils (2) und des zweiten Teils (3) mit unterschiedlichen Poissonzahlen zur Bildung der Vorrichtung (4) in einem Stück wird durch additive Fertigungsverfahren ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Vorrichtung (4) mit einem ersten Teil (2) und einem zweiten Teil (3), die radial von der Mitte nach außen aufeinander folgen, wobei mindestens einer von dem ersten Teil (2) oder dem zweiten Teil (3) in der Mitte angeordnet ist und mindestens der andere Teil den ersten vollständig umgibt. Indem man auf diese Weise einen Designraum schafft, wird unter den Designs verschiedener Vorrichtungen (4) mit dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3), die zur Durchführung der Absorption dienen, derjenige ausgewählt, der die optimale Absorption bewirkt. (2)
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Vorrichtung (4) mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, die radial von der Mitte nach außen aufeinander folgen, wobei der erste Teil (2) in der Mitte angeordnet ist und der zweite Teil (3) den ersten Teil (2) fast vollständig umgibt. Die Beziehung zwischen dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3) ist definiert. Auf diese Weise wird ein optimaler Absorber (1) bereitgestellt, wobei die Vorrichtung (4) die Schwingungsbewegung der Reaktionsräder minimiert. (3).
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Vorrichtung (4) mit einem ersten Teil (2), der sich radial von dem Zentrum fast senkrecht nach außen erstreckt, und einem zweiten Teil (3), der das Zentrum kreisförmig umgibt. Die Beziehung zwischen dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3) ist definiert. Auf diese Weise wird ein optimaler Absorber (1) bereitgestellt, wobei die Vorrichtung (4) die Schwingungsbewegung der Reaktionsräder minimiert. (3)
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Vorrichtung (4) mit einem ersten Teil (2) und einem zweiten Teil (3), die jeweils eine kreisförmige Form aufweisen. Die Beziehung zwischen dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3) ist definiert. So wird ein optimaler Absorber (1) bereitgestellt, bei dem die Vorrichtung (4) die Schwingungsbewegung der Reaktionsräder minimiert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Vorrichtung (4), die aus einem metallischen Material hergestellt ist. Dadurch wird das Gewicht der Vorrichtung (4) und damit des Absorbers (1) erheblich reduziert. Dies ist ein sehr wichtiger Gewinn, insbesondere für Raumfahrzeuge.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Vorrichtung (4), die aus AlSi10Mg- oder AlSi7Mg-Materialien hergestellt ist. AlSi10Mg oder AlSi7Mg sind weltraumtaugliche Materialien. Auf diese Weise wird ein Absorber (1) hergestellt, der die Zuverlässigkeitskriterien erfüllt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Halterung (B) und einen Körper (5) mit mehr als einer Vorrichtung (4), die auf der Halterung (B) angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Absorptionsfunktion auf mehr als eine Vorrichtung (4) verteilt, wodurch dessen Belastung verringert und ein zuverlässigerer Absorber (1) erreicht wird. Er ist durch eine Verbindung mit der Halterung (B) an der Quelle (K) befestigt. ( 4)
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) einen Körper (5) mit Vorrichtungen (4), die an den Ecken eines gleichseitigen Sechsecks auf der Halterung (B) angeordnet sind. So wird die Absorptionsfunktion gleichmäßig auf die Vorrichtungen (4) verteilt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine monolithisch hergestellte Halterung (B) und einen Körper (5) mit einer Vorrichtung (4). Dies gewährleistet Gewichtsreduzierung und Zuverlässigkeit.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) mindestens eine Platte (6), die zwischen der Quelle (K) und der Vorrichtung (4) angeordnet ist und eine homogene Verteilung der von der Quelle (K) übertragenen Schwingungen auf die Vorrichtung (4) ermöglicht. Die Platte (6) stellt die Verbindung zwischen der Quelle (K) und der Vorrichtung (4) her und ermöglicht es, die von der Quelle (K) kommenden Schwingungen zu absorbieren, sobald sie den Absorber (1) erreichen. (5)
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine kreisförmige Platte (6), die die Vorrichtung (4) fast vollständig abdeckt und lösbar mit der Vorrichtung (4) verbunden ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schwingungen den Absorber (1) auf homogene Weise erreichen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) eine Vorrichtung (4), die mit Hilfe von Maschinen zur additiven Fertigung im Pulverbett hergestellt wird. Auf diese Weise werden der erste Teil (2) und der zweite Teil (3) in einem Stück hergestellt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Absorber (1) einen Körper (5), der mit Hilfe von Maschinen zur additiven Fertigung im Pulverbett hergestellt wird. Auf diese Weise werden der erste Teil (2) und der zweite Teil (3) in einem Stück hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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