DE19513083C1 - Modellträger für Windkanalmodelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modellträger für Windkanalmodelle gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1. Ein solcher Modellträger ist aus DE 35 08 937 A1 bekannt.

In Windkanälen, in denen die Modelle von Flugzeugen oder Fahrzeugen auf ihre aerodynamischen Eigenschaften getestet werden, wird das Modell an einem Stiel ange­ bracht, der auf der Abströmseite an dem Modell angreift und dieses in die Strömung hält, ohne die Strömung we­ sentlich zu verändern. Damit die auf das Modell einwir­ kenden aerodynamischen Kräfte ermittelt werden können, ist zwischen dem Stiel und dem Modell eine Waage ange­ bracht, die mehrere Freiheitsgrade hat. Auf diese Weise kann u. a. der in Längsrichtung der Strömung wirkende Strömungswiderstand des Modells bestimmt werden oder auch das Nickmoment oder das Giermoment sowie der von der Strömung erzeugte Auftrieb. Die Elemente der Waage unterliegen verschiedenen elastischen Verformungen, die mit den Dehnmeßstreifen ermittelt werden, um daraus elektrische Signale zu erzeugen, die die betreffenden Kräfte oder Momente repräsentieren.

Aufgrund des Umstandes, daß das Windkanalmodell und die Waage ein schwingfähiges Masse-Feder-System darstellen, führt das Windkanalmodell Schwingungen aus, die von der Strömung und/oder dem Modellsupport angeregt werden können. Damit werden sowohl longitudinale Schwingungen als auch Drehschwingungen und Biegeschwingungen er­ zeugt.

Bei dem aus DE 35 08 937 A1 bekannten Modellträger ist die Waage zur Ermittlung der Kräfte im Innern des Mo­ dells angeordnet. An dieser Waage greift der Stiel an, der an einem ortsfest abgestützten Support befestigt ist. Der Modellträger besteht somit aus der Waage, dem Stiel und dem Support, die sämtlich in Reihe angeordnet sind. Der Support kann in Abhängigkeit von den Sig­ nalen, die die Bewegung des Modells beschreibende Sen­ soren liefern, angeregt werden, um zu den auftretenden Schwingungen des Modells Antiresonanzen zu erzeugen und damit eine Schwingungskompensation zu bewirken. Der Support ist eine sehr aufwendige Struktur mit zahl­ reichen Freiheitsgraden, wobei für jeden Freiheitsgrad ein separater Aktuator erforderlich ist.

Waagen, die an dem Heckstiel eines Modellträgers für einen Windkanal befestigt werden können, sind bekannt aus DE 31 51 669 C3 und US 49 38 059. Die aus der DE 31 51 669 C3 bekannte Heckstielwaage weist piezoelektrische Sensoren auf.

DE 42 18 984 A1 beschreibt ein Positioniersystem für optische Prüfgeräte, bei dem sechs voneinander unabhän­ gig steuerbare gleichartige längenveränderbare Stützen miteinander verbunden sind. Infolge Längenänderungen der Stützen ist eine Positionierung in sechs Freiheits­ graden mit sehr großen Stellwegen realisierbar. DE 34 38 161 A1 beschreibt eine Kraftübersetzungseinheit aus zwei Lagerstützen mit Höhenverstellung, bei der durch eine Hebelübersetzung eine Kraftverstärkung erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Modell­ träger für Windkanalmodelle zu schaffen, der durch eine neue Gestaltung des Gegenschwingungserzeugers kleinfor­ matig und kompakt ausgebildet werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit denk im Patentanspruch angegebenen Merkmalen.

Gegenschwingungserzeuger hat vorzugsweise mehrere parallele krafterzeugende Elemente, die nach Art eines ringförmigen Käfigs ange­ ordnet sind. Diese krafterzeugenden Elemente sind pie­ zoelektrische Aktoren. Durch geeignete Erregung be­ stimmter Kombinationen von Aktoren können bei still­ stehendem Windkanalmodell unterschiedliche Schwingungen erzeugt werden, beispielsweise lineare Schwingungen des Modells in Längsrichtung, Drehschwingungen um die quer­ laufende horizontale Nickachse oder Drehschwingungen um die querlaufende vertikale Gierachse, oder auch Kombi­ nationen dieser Schwingungen. Es ist eine Regeleinrich­ tung vorgesehen, die die gelieferten Signale empfängt und daraus Erregersignale für den Gegenschwingungser­ zeuger produziert. Diese Gegenschwingungssignale sind so gewählt und bemessen, daß durch die erzeugten Gegen­ schwingungen die Orignal-Schwingungen kompensiert wer­ den.

Die Erfindung eignet sich generell für alle Windkanäle, insbesondere aber für Windkanäle, in denen Flugzeugmo­ delle getestet werden. Auch in Windkanälen, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten (Cryowindkanäle), können die Gegenschwingungserzeuger aus Piezoelementen eingesetzt werden, da sie bei niedrigen Temperaturen funktionsfähig sind.

Vorzugsweise ist der Gegenschwingungserzeuger stielsei­ tig von der Waage angeordnet, also entweder zwischen Waage und Stiel oder im Bereich des Stieles. Bei dieser Anordnung besteht der Vorteil, daß der Gegenschwin­ gungserzeuger nur relativ geringe Schwingungsamplituden erzeugen muß. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Gegenschwingungserzeuger an dem modellseitigen Ende der Waage anzubringen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein an einem Modellträger befestigtes Flugzeugmodell,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Gegenschwin­ gungserzeugers und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 ist ein Windkanalmodell 10 in Form eines Flugzeugmodells vorgesehen, das an einem Modellträger 11 befestigt ist. Der Modellträger 11 weist einen Stiel 12 auf, der nach Art eines Auslegers in den Strömungs­ kanal 13 hineinragt und in geeigneter Weise gehaltert ist. Nach Fig. 1 verläuft der Stiel 12 schräg zur Strö­ mungsrichtung 14, jedoch kann er auch parallel zur Strömungsrichtung verlaufen. Das (nicht dargestellte) rückwärtige Ende des Stieles 12 ist an einem ortsfesten Widerlager befestigt, während das freie Ende 12a sich im Innern des Modells 10 befindet. Zu diesem Zweck weist das Modell eine Öffnung auf, durch die der Stiel 12 hindurchragt.

An dem Ende 12a des Stieles 12 ist das eine Ende 15a des Gegenschwingungserzeugers 15 befestigt. An dem an­ deren Ende 15b des Gegenschwingungserzeugers ist eine Waage 16 mit einem Halter 16a angebracht. An dem der Strömung entgegengerichteten Ende der Waage 16 befindet sich ein weiterer Halter 16b, an dem das Modell 10 be­ festigt ist. Die gesamte Waage 16 ist in einem Hohlraum 17 des Modells 10 untergebracht, der eine solche Weite hat, daß die Waage 16 sich in verschiedenen Richtungen verformen kann.

Die Waage 16 besteht aus einem Mittelteil 16c, der in Längsrichtung verformbar ist, sowie zwei Biegebereichen 16d und 16e, die Biegungen um eine horizontale Achse 18 und um eine vertikale Achse 19 zulassen. An den einzel­ nen Bereichen der Waage sind (nicht dargestellte) Dehn­ meßstreifen angebracht, die die jeweiligen Verformungen dieser Bereiche messen und entsprechende Signale an eine Auswerteeinrichtung liefern, die die Belastungen ermittelt, die infolge der Strömung auf das Modell 10 einwirken. Die verschiedenen Elemente der Waage 16 sind elastisch. Daher bildet die Masse des Modells 10 zusam­ men mit der Waage 16 ein schwingfähiges Masse-Feder- System.

Der Gegenschwingungserzeuger 15 dient dazu, Gegen­ schwingungen zu erzeugen, durch die die Schwingungen des Modells 10 kompensiert werden.

Der Aufbau des Gegenschwingungserzeugers 15 ist schema­ tisch in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Enden 15a und 15b werden durch flanschartige Scheiben gebildet, zwischen denen stabförmige piezoelektrische Elemente 20 verlaufen. Jedes piezoelektrische Element 20 ist an gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden 21,22 verse­ hen, die mit elektrischen Leitungen 23 verbunden sind. Die piezoelektrischen Elemente bilden einen Käfig. Sie halten die Enden 15a und 15b auf Distanz, wobei sich zwischen den piezoelektrischen Elementen 20 Spannele­ mente 24 in Form von Schrauben erstrecken. Diese Spann­ elemente üben eine Vorspannung auf die piezoelektri­ schen Elemente 20 aus, die dadurch axial zusammenge­ drückt werden. An die Leitungen 23 eines jeden piezo­ elektrischen Elements 20 kann eine Steuerspannung für dieses Element 20 gelegt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Elemente 20 des Gegenschwingungserzeugers separat anzusteuern und dadurch unterschiedliche Schwingungsmoden zu erzeugen. So können beispielsweise einander gegenüberliegende Elemente 20 gegenphasig zu­ einander erregt werden, um Drehschwingungen zu erzeu­ gen. Wenn sämtliche Elemente 20 gleichphasig erregt werden, werden Längsschwingungen erzeugt.

Die Erregerspannungen für die piezoelektrischen Elemen­ te 20 werden von einer Steuereinrichtung erzeugt, die die Signale der Waage 16 oder anderer die Bewegungen des Modells beschreibender Sensoren empfängt und nach festgelegten Umrechnungskriterien daraus Gegenschwin­ gungssignale für den Gegenschwingungserzeuger 15 produ­ ziert.

Claims (1)

1. Modellträger für Windkanalmodelle (10), mit einem Stiel (12), der eine elastische Waage (16) zum Ermitteln von auf das Modell (10) einwirkenden Kräften in mehreren Freiheitsgraden trägt, und einem in serieller Anordnung zu der Waage (16) vorgesehenen Gegenschwingungserzeuger (15), der in Abhängigkeit von Signalen gesteuert ist, welche von die Bewegungen des Modells meldenden Senso­ ren geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenschwingungserzeuger (15) mehrere um eine Achse verteilt angeordnete piezoelektrische Elemente (20) aufweist, die in Längsrichtung durch mechanischen Druck vorgespannt sind, und jeweils eine angelegte Spannung in eine Bewegung umsetzen.