DE19702518A1

DE19702518A1 - Aktive Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen

Info

Publication number: DE19702518A1
Application number: DE1997102518
Authority: DE
Inventors: Lothar Prof Dr Ing Gaul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2017-01-25
Also published as: DE19702518C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf die aktive Beeinflussung des dynamischen Über tragungsverhaltens von einer oder mehreren Fügestellen (z. B. Schraub-, Klemm-, Nietverbindungen und Führungen) in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen. Sowohl die in den Kontaktflächen zweier oder mehrerer gefügter Ele mente durch Mikro- oder Makroschlupf als Reibarbeit dissipierte Energie, als auch die Steifigkeit der jeweils betrachteten Fügestelle, werden durch die hier vorliegende aktuelle Fugenpressung bestimmt. Die im folgenden passiv genannten Fügestellen haben den Nachteil unveränderlicher statisch eingestellter Fugenpressung. Die vor gelegte Erfindung ermöglicht daher eine aktive steuer- und/oder regelbare dynami sche Beeinflussung der Fugenpressung durch ein oder mehrere auch verschiedene physikalische Wirkprinzipe. Das Ziel ist die Beeinflussung der mechanischen Struk turdynamik bei veränderlicher Beanspruchung durch Dämpfungs- und Steifigkeits anpassung durch die erfindungsgemäß dynamische Variation einer oder mehrerer Fugenpressungen in einer mechanischen Struktur oder einem Konstruktionselement.

Aus der deutschen Patentmeldung DE 39 39 822 C2 ist ein aktives schwingungs dämpfendes System für ein Kraftfahrzeug bekannt. Hier werden Körperschall und Luftschall dadurch gedämpft, daß ein piezokeramischer Aktuator (umgekehrter pie zoelektrischer Effekt) eine dämpfende, phasenverschobene Gegenschwingung erzeugt. Dieser Aktuator regt ein fahrzeugeigenes Bauteil zu diesen gegenphasigen Schwin gungen an.

In der deutschen Patentmeldung DE 39 34 352 C2 wird eine Druckmeß-Unterlegscheibe vorgestellt, die piezoelektrische Elemente enthält. Diese Druckmeß-Unterlegscheibe dient zur Erfassung von Druckschwankungen, wie sie beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik bei klopfender Verbrennung und Kraftstoffeinspritzung am Zy linderkopf vorkommen. Die Aufgabe gemäß dieser Druckschrift ist eine Druckmeß-Unterlegscheibe derart zu schaffen, daß sie ohne Verschweißen wirksam abgedichtet und gegen Eindringen von Wasser und Öl geschützt ist.

Aus diesen Druckschriften ergeben sich keine Anhaltspunkte, die die vorliegende Erfindung nahelegen können.

Aus der Druckschrift Nr. 872895 (Kl. 47a Gr.20) ist eine Dämpfungsvorrichtung an Tragteilen bekannt. Diese Erfindung besteht darin, daß Tragteile Scheuerflächen (Reibleisten) besitzen, die unabhängig von den zur Verbindung einzelner Tragteile dienenden Berührungsflächen sind und unter Druck aneinanderliegen. Beim Auf treten von Schwingungen führen die Scheuerflächen gegenseitige Gleitbewegungen aus. Die hierbei geleistete Reibarbeit hebt die Schwingungsenergie auf. Damit diese Wirkung sicher und in starkem Maße eintritt, müssen die Tragteile oder die mit ihnen in Verbindung stehenden Körper unter Druck aneinanderliegen.

Nachteile des Standes der Technik

Der Nachteil dieser Erfindung (Nr. 872895, Kl. 47a Gr.20) besteht darin, daß die Fugenpressung als entscheidende Einflußgröße für die Reibarbeit und die Steifigkeit nicht gezielt dynamisch verändert werden kann. Mit diesem passiven Fügestellen verhalten besteht keine Möglichkeit, in Abhängigkeit einer externen Strukturanre gung eine optimale Dämpfung (Energiedissipation) und Steifigkeit (Abstimmung) durch Steuerung und/oder Regelung einzustellen.

Die Verteilung der Fugenpressung innerhalb der Kontaktflächen läßt sich z. B. nach der Einstellung bzw. den Einstellungen nicht mehr gezielt und dynamisch an varia ble Betriebsbedingungen anpassen.

Nur bei Fügestellen außerhalb des Kraftflusses ist Makroschlupf zulässig, bei dem sich die gesamte Kontaktfläche im Gleitzustand befindet.

Bei Fügestellen im Kraftfluß darf nur Mikroschlupf auftreten, bei dem nur ein Teil der Kontaktfläche im Gleitzustand ist und durch den verbliebenen Haftbereich aus reichende Sicherheit gegenüber dem Versagen der Verbindung durch Makroschlupf besteht.

Ein Nachteil passiver Fügestellen ist, daß eine optimale Dämpfung im Mikroschlupf bereich für variable Betriebsbedingungen nicht adaptiert werden kann.

Bei den erwähnten Scheuerflächen (Reibleisten), die durch mehrere Schrauben gefügt sind, läßt sich nur statisch eine Verteilung der Fugenpressung über der Kontaktfläche einstellen, die für geänderte Schwingungsformen keine optimale Dämpfung ergibt.

Aufgabe der Erfindung und Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, das es gestattet die aktu ell vorhandene Fugenpressung in einer oder mehrerer mechanischer Fügestellen dy namisch gezielt zu verändern, um das Schwingungsverhalten des mechanischen Kon struktionselementes und/oder der mechanischen Struktur in der sich Fügestelle(n) befinden, hinsichtlich eines oder mehrerer Parameter zu optimieren. Die zugehörige Vorrichtungen zur Durchführung des erflndungsgemäßen Verfahrens sind Gegen stand von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Aufgabe der Erfindung wird in Fig. 1 ohne jeglichen Einschränkung der Allge meinheit bzw. des Schutzbereiches der Patentansprüche exemplarisch an einer ver schraubten Laschenverbindung unter Längskraftbeanspruchung (5) erläutert und später auf größere Kontaktflächen erweitert. Die Fugenpressung wird z. B. durch Ändern der Schraubenvorspannung so eingestellt, daß Reibarbeit und Steifigkeit optimiert werden. Dies läßt sich durch verschiedene physikalische Wirkprinzipe er reichen. Aus der passiven Fügestelle wird z. B. durch Unterlegen von Piezokeramik scheiben (3) unter die Schraubenmutter (2) eine aktive Fügestelle. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung (4) ändert sich die Dicke der Piezoscheiben und somit die Schraubenvorspannung, die ihrerseits die Fugenpressung bestimmt.

Infolge von externen, eingeprägten Strukturschwingungen tritt in der Fügestelle Schlupf auf.

Die grafische Auftragung der in der Fügestelle übertragenen Kraft über der Relativ verschiebung der Kontaktflächen führt auf Hysteresekurven, deren Flächen die Reib arbeit beschreiben. Zwischen den Extremen niedriger Fugenpressung mit geringer Reibarbeit infolge niedriger Schubspannungen und hoher Fugenpressung mit wieder um geringer Reibarbeit infolge überwiegenden Haftbereiches, existiert ein Optimum der Reibarbeit. Diese Reibarbeit wird erfindungsgemäß bei einer aktiven Fügestelle so adaptiert, daß z. B. einerseits nur Mikroschlupf auftritt und andererseits ein oder mehrere Parameter der mechanischen Struktur oder Konstruktionselemente ein Op timum erreichen.

Über mehrere aktive Schraubverbindungen einer großflächigen Fügestelle, läßt sich in Abhängigkeit der dynamischen Beanspruchung erfindungsgemäß auch eine opti male Verteilung der Fugenpressung über der Fläche einstellen. Bei Reibleisten läßt sich so eine Dämpfungsoptimierung für die verschiedenen möglichen Schwingungs formen der mechanischen Struktur erreichen.

Varianten des Wirkprinzips zur Veränderung der Fugenpressung durch Piezoelektri ka sind insbesondere durch Ausnutzen des magnetostriktiven Effekts, durch Form gedächtnislegierungen, durch Erwärmung und Abkühlung oder durch hydraulische und pneumatische Aktuatoren möglich. Einschränkungen des Schutzbereiches der Patentansprüche sind mit dieser exemplarischen Aufzählung nicht beabsichtigt.

Für die aktive Veränderung der Fugenpressungen in den Fügestellen wird erfin dungsgemäß eine Steuerung/Regelung angewandt, die bei dem inhärent nichtli nearen Übertragungsverhalten der mechanischen Struktur vorzugsweise nichtlinear sein sollte. Hierzu bietet sich insbesondere im Hinblick auf enge Echtzeitanforde rungen der Einsatz von leistungsfähigen, parallel verarbeitenden und lernfähigen Steuerungs-/Regelsystemen z. B. auf der Basis von Neuronalen Netzen an. Durch sie können sowohl die a priori nicht einfach zu definierenden Nichtlinearitäten der Regelstruktur als auch die Reglerparametrierung im Rahmen einer Lernphase opti mal festgelegt werden. Dazu erfolgt ein Training im geschlossenen Regelkreis durch ter Einbeziehung des mechanischen Modells für die Struktur als Regelstrecke (Fig. 2).

Wenn man die aktive Strukturdämpfung außerhalb des Hauptkraftflusses anordnet, bedeutet ein Ausfall der Regelung und/oder der Energieversorgung für die Aktuato ren zur Beeinflussung der Fugenpressung allenfalls, daß ein Mikroschlupfvorgang in den Makroschlupf übergeht und somit gleichwohl Energiedissipation auftritt, wenn gleich keine optimale.

Im Kraftfluß bedeutet Makroschlupf ein Versagen der Fügestelle, jedoch bleibt noch der Formschluß der Verbindung als Notreserve.

Anwendungen - Vorteile der Erfindung

Nachfolgend werden ohne Einschränkung des Schutzbereiches der Patentansprüche beispielhaft Anwendungen der Erfindung benannt. Leichtbaustrukturen z. B. der Luft- und Raumfahrt werden häufig als Fachwerke ausgeführt, deren Stäbe durch Fügestellen an den Knoten verbunden sind. Die Reibarbeit dieser Fügestellen ist die dominante Ursache der Energiedissipation im Vergleich mit der Materi aldämpfung oder der Dämpfung durch das umgebende Medium, wenn keine anderen Dämpfungsmaßnahmen z. B. durch Zusatzmassen vorgenommen werden.

Das inhärent nichtlineare Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten von mechanischen Fügestellen läßt sich im Sinne der Erfindung durch eine Veränderung der Fugenpres sung z. B. insbesondere zur aktiven Schwingungsdämpfung und Steifigkeitsabstim mung nutzen (Fig. 15).

Vorteilhaft ist die mit einem Raumfachwerk vorgegebene räumliche Verteilung der zahlreich vorhandenen Fügestellen in den zahlreich vorhandenen Knoten. Sie er laubt es, einen oder mehrere Orte des wirksamsten Eingriffs in Abhängigkeit von auftretenden Betriebsschwingungsformen ohne konstruktive Änderung erfindungs gemäß zu optimieren.

Vorteilhaft ist ebenfalls, daß die so realisierte aktive Schwingungsdämpfung an der Struktur prinzipbedingt kein zusätzliches Gewicht erfordert, wie es z. B. bei Dämpfungsmaßnahmen mit Zusatzmassen erforderlich ist.

Sinngemäß analog wird erfindungsgemäß vorgegangen, wenn mechanische Konstruk tionselemente oder Strukturen z. B. hinsichtlich ihrer Schwingungseigenschaften zu entdämpfen sind.

Ausführungsbeispiele

Die in den Fig. 1-16 dunkel unterlegten Flächen stellen jeweils das aktive Ele ment für die erfindungsgemäße Veränderung der Fugenpressung dar.

Der Gegenstand der Erfindung ist beispielhaft für mögliche Anwendungen aus der Luft- und Raumfahrt, dem Maschinen- und Schiffsbau und der Verfahrenstechnik nachfolgend dargestellt. Die Pfeile in den Fig. 1 und 3 bis 8 kennzeichnen me chanische Kräfte und Momente. Es zeigen

Fig. 1 Längskraftübertragung (5) mit einer verschraubten Laschenverbindung.

Fig. 2 Regelsystem zur Dämpfungsoptimierung unter Verwendung eines Neurona len Netzes.

Fig. 3 Rohrflanschverbindung mit Querkraftübertragung (6).

Fig. 4 Biegemomentübertragung (7) an einem verschraubten Winkel.

Fig. 5 Torsionsmomentübertragung (8) an einer starren Kupplung.

Fig. 6 Aktive Reibkupplung (bzw. Bremse).

Fig. 7 Aktiver Schwingungs- und Schockabsorber: Bei der Einfederung des Stößels (9), wird die Fugenpressung optimal geregelt, das Ausschieben des Stößels er folgt bei geringer Fugenpressung mit Hilfe der Rückstellfeder (10).

Fig. 8 Alternative Ausführung eines aktiven Schwingungs- und Schockabsorber, wobei hier im Gegensatz zu Fig. 7 die Anpressung durch ein Piezoelement in einer Nut erfolgt.

Fig. 9 Optimale Pressungsverteilung entlang der Länge eines Balkens oder über die Fläche einer Platte, die durch mehrere aktive Verschraubungen miteinander verbunden sind (unverformte (11) und verformte (12) Konfiguration).

Fig. 10 Anwendungsbeispiel einer aktiven Plattenbedämpfung: Bedämpfung der Zwischenmasse einer doppeltelastischen Maschinenlagerung. Hierbei stellt (13) die aktive Reibleiste auf dem Zwischenfundament dar, das Biegeschwingungen ausführt.

Fig. 11 Aktive Dämpfung der Biegeschwingung einer Schiffswand, z. B. zur Min derung der hydroakustischen Abstrahlung eines Schiffes.

Fig. 12 Aktive Dämpfung auf einer Schallkapsel.

Fig. 13 Aktive Rohrleitungsdämmung und -dämpfung, durch ein aktiv vorgespann tes Doppelrohr.

Fig. 14 Aktive Rohrschelle zur Rohrleitungslagerung.

Fig. 15 Aktive Knotenverschraubungen, z. B. an Gittermasten von Orbitalstruk turen zur aktiven Dämpfung.

Fig. 16 Aktive Klemmverbindung.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gezielten aktiven Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Struk turen jedwelcher Art, durch Ausnutzen der Energiedissipation von unter Druck (Fu genpressung) aneinanderliegenden Berührungsflächen, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Fugenpressungen durch eine oder mehrere physikalische Wirk prinzipe dynamisch gezielt verändert werden (aktive Fügestellen).

2. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gezielten ak tiven Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen jedwelcher Art, durch Ausnutzen der Energiedissipation von unter Druck (Fugenpressung) aneinanderliegenden Berührungsflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Fugenpressungen durch einen oder mehrere piezoelektrische Aktuatoren verändert werden.

3. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gezielten ak tiven Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen jedwelcher Art, durch Ausnutzen der Energiedissipation von unter Druck (Fugenpressung) aneinanderliegenden Berührungsflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Fugenpressungen durch Ausnutzen des ma gnetostriktiven Effekts verändert werden.

4. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gezielten ak tiven Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen jedwelcher Art, durch Ausnutzen der Energiedissipation von unter Druck (Fugenpressung) aneinanderliegenden Berührungsflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Fugenpressungen durch Verwendung von einem oder mehreren Konstruktionselementen aus Formgedächtnislegierungen, die gezielten Temperaturänderungen ausgesetzt sind, verändert werden.

5. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gezielten ak tiven Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen jedwelcher Art, durch Ausnutzen der Energiedissipation von unter Druck (Fugenpressung) aneinanderliegenden Berührungsflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Fugenpressungen durch eine oder mehrere hydraulische oder pneumatische Aktuatoren verändert werden.

6. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gezielten ak tiven Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen jedwelcher Art, durch Ausnutzen der Energiedissipation von unter Druck (Fugenpressung) aneinanderliegenden Berührungsflächen nach einem der vorgenann ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Fugenpressungen so gesteuert und/oder geregelt werden, daß die Energiedissipation in einer oder in mehreren Fügestellen und somit die mechanischen Eigenschaften der mechanischen Struktur hinsichtlich eines oder mehrerer Parameter optimiert werden.

7. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur gezielten ak tiven Beeinflussung von Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen und Strukturen jedwelcher Art, durch Ausnutzen der Energiedissipation von unter Druck (Fugenpressung) aneinanderliegenden Berührungsflächen, nach einem der vorgege nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei großflächiger Fügestelle über mehrere aktive Verbindungen eine hinsichtlich eines oder mehrerer vorgegebener Parameter optimale Verteilung der Fugenpressung eingestellt wird.