DE19735649A1 - Dämpfungselement - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik/Elektronik, des
Maschinenbaus und des Fahrzeugbaus und betrifft ein Dämpfungselement, wie es
z. B. zur aktiven Bedämpfung von Flächen oder Trägern mit "Aufbauten" bei
auftreten den Deformationen durch beispielsweise Vibrationen oder Verbiegungen
oder Verbeulungen, die z. B. bei Temperaturänderungen in Systemen auftreten
können, eingesetzt werden können.
In technischen Systemen der verschiedensten Größen treten immer wieder
unerwünschte Deformierungen auf. Dies können Vibrationen sein, die
beispielsweise bei Maschinenteilen auftreten oder Deformationen in Aufbauten
durch Temperaturschwankungen, die unerwünschte Dejustierungen von optischen
Achsen bewirken.
Die aktive Dämpfung durch Gegensteuerung mit verschiedenen Elementen ist
deshalb eine wichtige Aufgabe der Technik. Verschiedene Elemente werden dazu
eingesetzt. Das Grundprinzip ist die Feststellung der Deformation mit einem Sensor.
Ausgehend von der ermittelten Deformation wird mit einem Aktor der Deformation
entgegengewirkt. Das Entgegenwirken wird durch eine Steuerung geregelt.
Bekannt geworden sind als Aktoren aufgeklebte piezoelektrische Platten
(Forschungsberichte der DKG, Bd. 10 (95) Heft 4, S. 213-223) und eingegossene
piezoelektrische Fasern (J. of Intell. Mat. Syst. and Struct. Vol. 6 Nr. 3 pp. 338
(1995)). Bei Verwendung dieser Bulk-Materialien ist jedoch die Festigkeit sehr klein
und die Bruchgefahr dementsprechend groß.
Bei PZT-Dickschichten auf Al2O3 ist die Festigkeit zwar besser gegeben, aber die
Verbiegungen sind auch kleiner.
Im Entwicklungsstadium befindet sich die Verwendung von Piezomaterial für die
passive Dämpfung (Mat. Research Lab. Penstate Univ. 16802, Sonderdruck). Die
über den Piezoeffekt erzeugten Spannungsgradienten werden über einen
Widerstand kurz geschalten und damit wird die Deformation in Wärme umgewandelt.
Dieses Prinzip ist jedoch im Wirkungsgrad umstritten und wird für die vorliegende
Erfindung nicht angewandt.
Die Nachteile der nach dem Stand der Technik eingesetzten Elemente für die aktive
Bedämpfung sind die geringe mechanische Stabilität und die zu geringe Steifigkeit.
Werden diese Elemente dicker hergestellt und eingesetzt, so wird die
Ansteuerspannung für diese Elemente sehr groß.
Geht man zu monolithischen Elementen über, so werden diese Elemente zu teuer.
Nur PZT-Dickschichten würden die notwendige Festigkeit und Steifigkeit besitzen,
jedoch ist bei ihnen die Durchbiegung zu klein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, preiswerte Dämpfungselemente in
variablen Größen und Leistungen für eine aktive Bedämpfung von sich
deformierenden Bauteilen anzugeben, die auch große Kräfte aufbringen können.
Die Aufgabe wird durch ein Dämpfungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1
und durch die Verwendung eines Aktors mit den Merkmalen des Anspruchs 20
gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der gefundenen Erkenntnis, daß
Stapelaktoren mit geringer Stapelhöhe hintereinander aufgebracht, sozusagen "in
Reihe geschalten", das zu dämpfende Element stark verbiegen, entgegen der
Deformation. Die relativ geringe Verbiegung des Einzelelementes wird durch die
Hintereinanderaufreihung summiert und führt damit zu einer ausreichenden
Verbiegung.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Einzelelemente ohne
weiteres nach der bekannten Technologie zur Herstellung von MLC-Kondensatoren
hergestellt werden können. Dieses Verfahren ist in der Technik eingeführt und
Stapelaktoren können damit in großer Stückzahl, zu einem geringen Preis und
entsprechend ihren Abmessungen und Stapelanzahl in variablen Leistungen
produziert werden. Die Abmessungen sind standardisiert und es ist dadurch möglich
ein breites Sortiment herzustellen.
Anstelle des Kondensatormaterials wird lediglich ein piezoelektrisches oder
elektrostriktives Material verwendet. Dies bringt bei der bekannten Technologie
keine Probleme.
Als Werkstoffe eignen sich besonders PZT-Materialien einschließlich modifizierter
Abkömmlinge und auch Relaxorferroelektrika (Bleiperowskite).
Für den Fall, daß die Einzelelemente aus einem elektrostriktiven Material bestehen,
so ist es vorteilhaft, ein Material mit einer möglichst hohen Elektrostriktion Q zu
wählen. Bei einem solchen Fall tritt unabhängig von der Richtung des Feldes (± E)
senkrecht zu den Schichten der Stapelaktoren eine Dehnung und parallel zu den
Schichten eine Kontraktion auf.
Für den Fall, daß die Einzelelemente aus einem gepolten piezoelektrischen Material
bestehen, gelten folgende Fälle.
Beim Anlegen einer Spannung entgegen der Polungsrichtung (-E) erfolgt eine
Kontraktion jeweils senkrecht zu den Schichten des Einzelelementes und in
Richtung der Schichten eine Dehnung. Die Spannung (-E) darf jedoch nicht zu groß
sein, da sonst eine Umpolung erfolgt.
Beim Anlegen einer Spannung in Richtung der Polung (+E) sind die Verhältnisse
umgekehrt. Hier braucht auch keine Umpolung befürchtet werden. Senkrecht zu den
Schichten der Einzelelemente gilt die piezoelektrische d33-Konstante (S3-Wert), in
Richtung der Schichten gilt die piezoelektrische d31-Konstante (S1-Wert für
Großsignal).
Entsprechend dem angestrebten Effekt können die Einzelelemente des
Dämpfungselementes auf das zu dämpfende Element aufgebracht werden. Durch
das Aufbringen werden die durch die Deformation erzeugten Kräfte auf das
Dämpfungselement übertragen.
Vorteilhafterweise kann das Aufbringen durch Aufkleben erfolgen.
Das Aufbringen der Einzelelemente kann hinsichtlich der Richtung ihrer Schichten
unterschiedlich durchgeführt werden. Werden die Einzelelemente senkrecht zum zu
dämpfenden Element aufgebracht, so wirkt die S3-Dehnung, die besonders groß ist,
und verbiegt das zu dämpfende Element konvex.
Werden die Einzelelemente so aufgebracht, daß ihre Schichten parallel zum zu
dämpfenden Element liegen, so wirkt die S1-Kontraktion, die kleiner ist, und verbiegt
das zu dämpfende Element konkav.
In vielen Anwendungsfällen sind zwei Einzelelemente nicht ausreichend, sondern es
müssen mehrere angeordnet werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß
bei einer Dehnung des Dämpfungselementes die Abstände zwischen den
Einzelelementen und auch die nicht feste Verbindung der Einzelelemente
untereinander kleine Dehnungslücken bilden. Diese Dehnungslücken, die sich bei
der Rückführung des Dämpfungselementes in die Ausgangslage wieder
zurückbilden, bilden für das gesamte Bauteil eine "Sollbruchstelle". Dadurch wird
das Einzelelement bei der Dehnung in Abhängigkeit von seiner Stapelhöhe in sich
nur wenig oder gar nicht verbogen, wodurch kaum ein unkontrollierter Laminatbruch
oder eine unkontrollierte Rißbildung auftritt. Das Einzelelement und auch das
Dämpfungselement haben somit eine wesentlich höhere Lebensdauer und sind
gegen Bruch nur sehr wenig anfällig. Diese Dehnungslücken oder auch die möglichen
Abstände zwischen den Einzelelementen haben keinen oder nur einen
vernachlässigbaren Einfluß auf die Höhe der Dehnung.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Dabei zeigt
Fig. 1 die Anordnung mehrerer Einzelelemente auf einem zu dämpfenden Element
im Ruhezustand,
Fig. 2 die Anordnung der Einzelelemente auf dem zu dämpfenden Element im
Moment der Dehnung, wobei S die unerwünschte Deformation ist und A die
Dehnung der Einzelelemente dagegen,
Fig. 3 eine Anordnung von Gruppen von Einzelelementen auf einem zu dämpfenden
Element, das aus mehreren Schichten aufgebaut ist.
An dem zu dämpfenden Element wird nach bekannten Verfahren die Vibration
festgestellt. Durch ein Lasermeßgerät werden die "Schwingungsknoten" und
Schwingungsbäuche" der Vibration sichtbar gemacht. Entsprechend dem
Schwingungsverlauf wird ein Konzept nach folgenden Grundsätzen erarbeitet:
- je steifer das Material, um so größer die Dämpfungselemente in ihrer Abmessung,
- je länger die "Schwingungsbäuche", um so länger das Dämpfungselement.
- je steifer das Material, um so größer die Dämpfungselemente in ihrer Abmessung,
- je länger die "Schwingungsbäuche", um so länger das Dämpfungselement.
Anschließend werden die Dämpfungselemente auf die "Schwingungsbäuche"
geklebt und angeschlossen. Nach dem Anlegen der Spannung tritt die dämpfende
Wirkung der Dämpfungselemente ein.
Sensorelemente, die die Deformation anzeigen, werden als Monomorph auf die
Rückseite des zu dämpfenden Elementes aufgeklebt. Für den Fall, daß das zu
dämpfende Element aus Al2O3 besteht, können die Sensorelemente gleich auf die
Rückseite in Dickschichttechnik aufgedruckt werden.
Diese Sensorelemente geben ein Signal ab, welches die Richtung der Deformation
anzeigt. Durch eine Steuer- und Regelungsapparatur wird das Dämpfungselement
dann so angesteuert, daß eine Gegenamplitude erzeugt wird.
In verschiedenen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Dämpfungselemente mehrfach
übereinander angeordnet sind und mit einem Polymer vergossen werden, wie in Fig. 3
zu sehen ist.
In diesem Falle schwingt ein ca. 10 cm langer Blechstreifen an einer Maschine durch
Vibration hin und her. In die Mitte des Streifens wird ein Dämpfungselement auf
Al2O3-Basis geklebt und angeschlossen. Das Al2O3-Stäbchen hat eine Länge von 6 cm
und besteht aus 20 hintereinander aufgeklebten piezoelektrischen
Einzelelementen. Nach Anlegen des Stromes und Aktivierung des
Dämpfungselementes erfolgt eine gegenphasige Vibration durch das
Dämpfungselement und in dem Blechstreifen treten keine Vibrationen mehr auf.
Auch nach einem einwöchigen Betrieb des Dämpfungselementes sind an den
Einzelelementen keine Delaminationen oder Risse erkennbar.
1
Einzelelement
2
Dämpfungselement
3
Substrat oder zu dämpfendes Element
4
Sensor
5
eingelagerte Faserbündel
6
Vergußmaterial
8
Anschlüsse
Claims (20)
1. Dämpfungselement aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material, bei
dem die Einzelelemente aus Stapelaktoren geringer Stapelhöhe bestehen und diese
Einzelelemente einzeln oder in Reihe oder Gruppen solcher Reihen oder in
mehreren Ebenen übereinander auf das zu dämpfende Element aufgebracht sind,
wobei mindestens zwei Einzelelemente nicht fest miteinander verbunden sind und
zwischen den mindestens zwei Einzelelementen ein Abstand sein kann, und die
mindestens zwei Einzelelemente elektrisch angeschlossen sind, und bei dem auf der
Rückseite des zu dämpfenden Elementes ein Sensor aufgebracht sein kann.
2. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei
Einzelelemente elektrisch in Reihe oder parallel angeschlossen sind.
3. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Gruppen von Reihen in
verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet sind.
4. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die inneren Elektroden der
mindestens zwei Einzelelemente senkrecht zum zu dämpfenden Element
angeordnet sind.
5. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem für die mindestens zwei
Einzelelemente über die Richtung der Stromaufnahme die Einzelelemente als
Sensoren wirken.
6. Dämpfungselement nach Anspruch 5, bei dem über die Richtung der
Stromaufnahme das Dämpfungselement als Sensor für das zu dämpfendes Element
wirkt.
7. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente aus einem
piezoelektrischen Material mit einer hohen d-Konstante bestehen.
8. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente aus einem
piezoelektrischen Material mit einer hohen Koerzitivfeldstärke bestehen.
9. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente in einem
Polymer eingegossen auf das zu dämpfende Element aufgebracht sind.
10. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente in mehreren
Ebenen übereinander angeordnet in einem Polymer eingegossen auf dem zu
dämpfenden Element angebracht sind.
11. Dämpfungselement nach Anspruch 9, bei dem das Polymer aus Polyimid
besteht.
12. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem der Sensor auf der Rückseite des
zu dämpfenden Elementes ein piezoelektrischer Biegeaktor ist.
13. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem der Sensor auf der Rückseite des
zu dämpfenden Elementes eine PZT-Dickschicht ist.
14. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Stapelaktoren eine
Stapelhöhe von 2 bis 200 Schichten aufweisen.
15. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen
ein Abstand besteht.
16. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen
ein Abstand von maximal der Länge eines Einzelelementes besteht.
17. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Einzelelementen
kein Abstand besteht.
18. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente über die
Längsseiten elektrisch angeschlossen sind.
19. Dämpfungselement nach Anspruch 1, bei dem die Einzelelemente in Gruppen
mit getrennter Ansteuerung eingeteilt sind.
20. Verwendung eines Aktors aus Einzelelementen aus piezoelektrischen oder
elektrostriktiven Materialien, bei dem die Einzelelemente aus Stapelaktoren geringer
Stapelhöhe bestehen und mindestens zwei Einzelelemente quer zu ihrem
Schichtaufbau und hintereinander längs zu ihrem Schichtaufbau auf ein Substrat
aufgebracht und mit dem Substrat fest verbunden sind, wobei die mindestens zwei
Einzelelemente nicht fest miteinander verbunden sind und zwischen den mindestens
zwei Einzelelementen ein Abstand sein kann und die mindestens zwei
Einzelelemente elektrisch angeschlossen sind, zur aktiven Dämpfung auf einem zu
dämpfenden Element.
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