DE19813959B4

DE19813959B4 - Einrichtung zur Körperschallunterdrückung

Info

Publication number: DE19813959B4
Application number: DE19813959A
Authority: DE
Inventors: Henning Strehlow; Peter Dr. Jänker; Rudolf Dr. Maier
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1998-03-28
Filing date: 1998-03-28
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2018-03-29
Also published as: ITMI990398A1; FR2776815A1; IT1309646B1; US6480609B1; FR2776815B1; DE19813959A1

Abstract

Einrichtung zur Körperschallunterdrückung zur Anordnung auf einer Trägerstruktur, die eine Zelle und einen Schallerzeuger verbindet, umfassend
– mehrere auf der Trägerstruktur (5, 6, 7, 21, 31, 43, 53) angeordnete Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52);
– Regler/Sensoren zur Steuerung und Regelung der Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52), wobei die Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52) derart steuer- und regelbar sind, dass mittels der Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52) Sekundärschwingungen in die Trägerstruktur (5, 6, 7, 21, 31, 43, 53) einleitbar sind, um den Körperschall-Übertragungspfad auf die zu isolierende Struktur zu sperren und um die Schallerregung mittels der vorhandenen und erregten Systemmassen des Schallerzeugers zu kompensieren,
dadurch gekennzeichnet, dass ein...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Körperschallunterdrückung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Anbringung auf einer Trägerstruktur, insbesondere auf einer Getriebestrebe eines Hubschrauber-Hauptgetriebes.
Mit einer Schallunterdrückungseinrichtung zur aktiven Minderung der Körperschallübertragung durch Getriebestreben auf eine Hubschrauberzelle, kann die Ursache oder können die primären Belastungen (primary loads) durch geregelte Gegenkräfte und Momente (secondary loads) kompensiert werden. Die Realisierung erfolgt z. B. mittels magnetostriktiven bzw. piezoelektrischen Aktuatoren in Verbindung mit einer entsprechenden Inertialmasse, die die notwendigen Gegenkräfte bzw. Momente in die Getriebestrebe einleiten.
Diese Aktuatoren sind dabei an einem ersten Ende auf der Getriebestrebe oder Trägerstruktur und zwar vorzugsweise in deren Längsrichtung angeordnet. Auf einem zweiten, entgegengesetzt zum ersten Ende gelegenen Ende des Aktuators ist eine Inertialmasse befestigt. Die Aktuatoren bewegen in Abhängigkeit der Trägerstruktur-Bewegung die auf ihnen angeordneten Inertialmassen und bewirken eine Überlagerung der Trägerstruktur-Bewegung und der Inertialmassen-Fusspunktsbewegung in einer Weise, dass die Trägerstrukturbewegung zumindest teilweise getilgt wird. Da diese Überlagerung im Frequenzbereich des Körperschalls erfolgt, wird mit dieser Einrichtung teilweise die Übertragung von Körperschall von dem Hauptgetriebe auf die Hubschrauberzelle unterdrückt.
Die DE 196 42 827 A1 betrifft einen Aktuator zur Schwingungsdämpfung, der Schwingungen an einem Fahrzeug, die zwischen Rädern und Achsteilen oder Teilen des Antriebsstrangs auftreten, dämpfen kann. Der Schwingungsdämpfer umfasst einen Zylinder, in dem eine Kolbenstange axial beweglich angeordnet ist.
Der Zylinder und die Kolbenstange verfügen über Anschlussorgane zum Fahrzeugaufbau sowie zum Rad bzw. zu den Achsteilen. An dem Anschlussorgan zum Fahrzeugaufbau ist ein Aktuator mit Piezoelementen montiert. Die Piezoelemente sind insbesondere auf die Kolbenstange bzw. den Zylinder aufgefädelt. Der Aktuator ist somit in Reihe zum Schwingungsdämpfer angeordnet. Es werden Schwingungen in Längsrichtung des Zylinders bzw. der Kolbenstange mittels des Aktuators erzeugt.
Aus der DE 42 30 800 A1 ist ein aktives Stellelement bekannt, das mit beispielsweise einem Lager, von dem hochfrequente Schwingungen fernzuhalten sind, in Reihe zusammengefasst wird. Das aktive Stellelement an sich umfasst einen von einem Stützgehäuse umschlossenen Raum, der durch eine im Wesentlichen inkompressible Verformungseinheit vollständig ausgefüllt ist, wobei der Raum an einer ersten Stelle durch ein Stellglied, das durch zumindest ein Glied zur Piezoelement elektrisch betätigbar ist, und an einer zweiten Stelle durch zumindest ein Arbeitsglied begrenzt ist, wobei das Stell- und das Arbeitsglied in Richtung des Raums hin und her bewegbar gegenüber dem Stützgehäuse sind. Dadurch wird ebenfalls in Längsrichtung des aktiven Stellelements eine Schwingungskompensationsbewegung eingeleitet.
Ein Nachteil dieses Stands der Technik ist das vergleichsweise hohe Gewicht der Anordnung, das sich aus dem Gewicht der Aktuatoren und der Inertial massen zusammensetzt, und die räumliche Integration in die Struktur. Zudem hat sich die Anwendung dieser Aktuatoren in Verbindung mit Inertialmassen als nicht wirkungsvoll genug herausgestellt.
Aus der EP 0 654 128 B1 ist eine Schwingungsreduktionseinrichtung bekannt, bei welcher um ein lang gestrecktes Element eine Reihe von Windungen eines Piezodrahts kreuzförmig gewickelt sind. Der Draht ist in seinen Endbereichen und gegebenenfalls weiteren Randbereichen punktförmig an dem Rohr befestigt. Bei einer Aktivierung des Piezodrahts wird das Rohr in Querrichtung komprimiert.
Aus der US 5,645,260 A eine S-förmige Strebe mit in Längsrichtung der Strebe daran angeordneten Piezoaktuatoren bekannt. Die Aktivierung von Piezoaktuatoren führt dazu, dass in Längsrichtung oder in Querrichtung bezüglich einer Verbindungsrichtung zwischen einer Trägerstruktur eines Raumfahrzeugs und einer Nutzlast Schwingungen kompensiert werden können.
Aus der EP 0 59 31 60 A1 ist eine aktivierbare Struktur bekannt, die folgendes aufweist: ein Trägerelement, das eine Fläche in Längs- und Querrichtung hat; mindestens zwei piezoelektrische Elemente, die mit dem Trägerelement zur Kraftübertragung zwischen den Elementen und dem Trägerelement verbunden sind, wobei jedes Element eine Polungsrichtung, eine Längsrichtung und eine Querrichtung hat; die piezoelektrischen Elemente so angeordnet sind, dass sie in Richtung ihrer jeweiligen Polungsrichtungen selektiv aktiviert werden können, um eine Torsionsbewegung des Trägerelements zu bewirken. Die Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass die piezoelektrischen Elemente Verbundfaserkomponenten aufweisen, die mit ihnen verklebt sind, wobei die Verbundfaserkomponenten benachbarter piezoelektrischer Elemente abwechselnd in verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind und die jeweiligen Elemente verschiedene bevorzugte Bewegungsrichtungen für jedes Element aufweisen.
Die Erfindung hat daher das Ziel, eine Einrichtung zur Körperschallunterdrückung bereitzustellen, die die Übertragung von Maschinenvibrationen und -schwingungen durch eine Trägerstruktur auf eine Zelle oder ein Bauteil bei möglichst einfacher Bauweise und mit verhältnismäßig geringem Integrationsaufwand im Vergleich zum Stand der Technik wirkungsvoller reduziert.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, der auf der Verwendung von strukturintegrierten oder geklebten piezoelektrischen Aktuator-Elementen auf der Getriebestrebe bzw. Trägerstruktur besteht. Diese geregelten Aktuatoren bewirken eine Sperrung des Körperschallübertragungspfades in Längs- und/oder in Transversalrichtung, sowie in Torsionsrichtung. Die eigentliche Körperschall-Kompensation erfolgt hier durch vorhandene Systemmassen, insbesondere der Hubschrauber-Hauptgetriebemasse.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.
Dadurch, dass die erfindungsgemäßen Piezoaktuatoren ohne zusätzlich erforderliche Komponenten direkt auf die Trägerstruktur geklebt werden, entfällt bei der Herstellung das Anbringen von weiteren Komponenten, z. B. von Inertialmassen an der Trägerstruktur. Dadurch wird der Herstellungsaufwand bei der Erfindungsgemäßen Schallunterdrückungseinrichtung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in ihrer einfachen Bauweise, ihrem geringem Gewicht und ihrem geringem Platzbedarf. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße- Schallunterdrückungseinrichtung insbesondere für Leichtbaustrukturen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass mit dieser eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Wirksamkeit erreicht wird. Die Anordnung von mehreren ge trennt ansteuerbaren Piezoschichten ermöglicht es, verschiedene Schwingungsformen der Trägerstruktur zu berücksichtigen. Durch die Integration der Piezoaktuatoren direkt in die Getriebestrebe kann so mit einem entsprechenden Regelkonzept eine Schallisolation der Zelle oder des Bauteils von den höherfrequenten Erregungen einer zugeordneten Maschine, z. B. eines Getriebes, erreicht werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 die Befestigung eines Hubschrauber-Hauptgetriebes auf eine Hubschrauberzelle mittels Getriebestreben, auf denen die erfindungsgemäßen Piezoaktuatoren angeordnet werden,
2 eine auf eine Getriebestrebe mit rundem Querschnitt aufgeklebte, drei Schalen umfassende Piezoschicht, die geeignet ist, Schwingungen in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe einzuleiten,
3 einen Schnitt A-A durch die in 2 dargestellte Getriebestrebe,
4 einen Schnitt durch eine Getriebestrebe mit dreieckigem Querschnitt, wobei die dargestellten Piezoschichten geeignet sind, Schwingungen in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe einzusteuern,
5 einen Schnitt durch eine Getriebestrebe mit quadratischem Querschnitt, wobei die dargestellten Piezoschichten geeignet sind, ebenfalls in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe Schwingungen einzusteuern, und
6 eine Getriebestrebe mit einem auf dieser spiralenförmig angeordneten Piezoschicht, die geeignet ist, Torsionsschwingungen in die Getriebestrebe einzusteuern,
7 eine Getriebestrebe mit zwei gegensinnig spiralförmig angeordneten Piezoschichten, die geeignet sind, jeweils zwei Schwingungsformen gleichzeitig in die Getriebestrebe einzusteuern.
1 zeigt das Hauptgetriebe 1 eines Hubschraubers, das über Getriebestreben 5, 6, 7 mit der Hubschrauberzelle verbunden ist. Das Hauptgetriebe 1 stellt die wichtigste Lärmquelle im Hubschrauber dar. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Getriebestrebe mit Piezoaktuatoren können Schwingungen in die Getriebestrebe in der Weise eingeleitet werden, dass die Getriebemasse Schwingungen zur Kompensation des Primärsignals ausführen kann. Der Aktuator unterbindet hierbei in Verbindung mit geeigneten Sensoren/Reglern durch Einführung von Sekundärsignalen auf die jeweilige Getriebestrebe oder Trägerstruktur die Körperschallübertragung auf die Zelle. Die in der 1 gezeigten Getriebestreben 5, 6, 7 sind beispielsweise gemäß der Darstellung in den 2 bis 7 ausgebildet.
Die Wirksamkeit der Schallunterdrückungseinrichtung setzt geeignete Regelkonzepte entsprechend der Erregung voraus. Dies kann sowohl deterministisch (z. B. Sinus-Schwingung) also auch stochastisch (z. B. bandbegrenztes Rauschen) auftreten.
In den 2, 3 ist eine der in der 1 dargestellten Getriebestreben, beispielsweise die Getriebestrebe 5 dargestellt. Dabei weist die Getriebestrebe 5 einen runden Querschnitt auf, wie der in der 3 dargestellte Schnitt A-A der 2 zeigt. Auf die Getriebestrebe 5 ist der Piezoaktuator als schalenförmige Piezoschicht 11 aufgeklebt. Die schalenförmige Piezoschicht 11 ist dabei in drei lang gestreckte Drittelschalen 12, 13, 14 aufgeteilt. Die Längsachse jeder Drittelschale 12, 13, 14 verläuft in Richtung der Längsachse der Getriebestrebe 5. Obwohl sich die Piezoaktuatoren in ihrem aktiven Zustand im wesentlichen in ihrer Längsrichtung bewegen, können durch die unterteilte Bauart bei entsprechender Ansteuerung sowohl Längs- als auch Transversalschwingungen ermöglicht und auf die Strebe oder Trägerstruktur übertragen werden. Bei der Anordnung nach den 2, 3 werden Schwingungen in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe eingeleitet, um ebensolche vom Hauptgetriebe auf die Getriebestrebe übertragenen Schwingungen zu kompensieren.
4 zeigt den Querschnitt einer Getriebestrebe, die einen dreieckigen Querschnitt 21 aufweist und auf der drei streifenförmige Piezoaktuatoren 22, 23, 24, aufgebracht sind. Auch bei dieser Anordnung werden von den Piezoaktuatoren 22, 23, 24, im wesentlichen Schwingungen in der Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe in diese eingeleitet.
5 zeigt den Querschnitt einer Getriebestrebe mit quadratischem Querschnitt 31. Auf jeder Seitenfläche dieser Getriebestrebe ist jeweils ein lang gestreckter Piezoaktuator 32, 33, 34, 35 aufgeklebt. Auch bei dieser Anordnung werden von den Piezoaktuatoren 32, 33, 34, 35 jeweils Schwingungen in Längs- bzw. Transversalrichtung der Getriebestrebe in diese eingeleitet.
Die in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen der Piezoaktuatoren bzw. deren Anordnung auf den entsprechenden Trägerstrukturen sind geeignet, longitudinale und transversale Schwingungen in die Trägerstruktur einzuleiten, um die Übertragung von Körperschallschwingungen von der Trägerstruktur auf eine Zelle oder ein Bauteil zu unterdrücken. Die in den 2 bis 5 gezeigten Anordnungen lassen sich in analoger Weise auf andere Querschnittsformen der Trägerstrukturen oder auch auf andersgestaltete Trägerstrukturen erweitern. Die Anordnung der Piezoaktuatoren auf diese Trägerstrukturen ergibt sich aus den entsprechenden geometrischen Überlegungen und der Anforderung, welche auf die Trägerstruktur eingeleitete Bewegungen durch die Piezoaktuatoren kompensiert werden soll.
In der 6 ist eine spiralenförmige Anordnung eines Piezoaktuators 41 auf einer Trägerstruktur 43 gezeigt. Diese Anordnung ist geeignet, Torsionsschwingungen in die Trägerstruktur 43 einzuleiten.
In der 7 ist eine gegensinnig spiralförmige Anordnung von Piezoaktuatorschichten 51, 52 auf einer Trägerstruktur 53 gezeigt. Diese Anordnung ist geeignet, über eine unterschiedliche Aktivierung der Piezoaktuatorschichten entweder Längs-Torsionsschwingungen oder Transversalschwingungen in die Trägerstruktur einzuleiten.
Die spiralenförmige Anordnung eines Piezoaktuators zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen in der Trägerstruktur kann auch kombiniert werden mit einem oder mehreren in Längsrichtung der Trägerstruktur aufgebrachten Piezoaktuatoren zur Unterdrückung von Longitudial-, Transversal- und Torsionschwingungen.
Zur Montage eines Piezoaktuators auf die entsprechende Trägerstruktur wird dieser als schalenförmige Piezoschicht auf die Trägerstruktur aufgeklebt. Die Montage der Piezoaktuatoren muß dabei die unterschiedlichen Betriebszustände des Hubschraubers berücksichtigen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, können zur Erzeugung einer vorgegebenen Druckvorspannung im fertigen Zustand bei der Verklebung verschiedene Methoden zur Erzeugung einer Druckvorspannung der Piezoaktuatorschichten angewandt werden:

(1) Mechanische Zugverspannung der Trägerstruktur und/oder
(2) Erwärmung der Piezoschichten Trägerstruktur und/oder
(3) Elektrische Kompression der Piezoschichten.

Ein Sektor einer Piezoschicht eines Piezoaktuators kann weiterhin auch als Sensor zur Erfassung des sekundären, in die Trägerstruktur einzuleitenden Schwingungssignals verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Piezoaktuatoren können auf jedes ausreichend lange Trägerstrukturelement, wie Streben, Aufhängungen, Halterungen angebracht werden, die Getriebe, Motoren oder andere schallerzeugende Maschinen mit einem tragenden Bauteil, insbesondere einer Passagierzelle wie der Hubschrauberrumpf oder eine Fahrzeugkarosserie, verbinden.

Claims

Einrichtung zur Körperschallunterdrückung zur Anordnung auf einer Trägerstruktur, die eine Zelle und einen Schallerzeuger verbindet, umfassend – mehrere auf der Trägerstruktur (5, 6, 7, 21, 31, 43, 53) angeordnete Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52); – Regler/Sensoren zur Steuerung und Regelung der Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52), wobei die Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52) derart steuer- und regelbar sind, dass mittels der Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35, 41, 51, 52) Sekundärschwingungen in die Trägerstruktur (5, 6, 7, 21, 31, 43, 53) einleitbar sind, um den Körperschall-Übertragungspfad auf die zu isolierende Struktur zu sperren und um die Schallerregung mittels der vorhandenen und erregten Systemmassen des Schallerzeugers zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Piezoaktuator (41, 51) eine längliche Gestalt aufweist und spiralförmig um die Trägerstruktur (5, 6, 7, 21, 31, 43, 53) angeordnet ist, und dass ein oder mehrere streifenförmig ausgebildete zweite Piezoaktuatoren (11, 12, 13, 14, 22, 23, 24, 32, 33, 34, 35) in Längsrichtung der Trägerstruktur (5, 6, 7, 21, 31, 43, 53) in Richtung der Längsachse angeordnet ist/sind, sodass über eine unterschiedliche Aktivierung der ersten und zweiten Piezoaktuatoren Längs-, Torsions- oder Transversalschwingungen in die Trägerstruktur einleitbar sind.
Einrichtung zur Körperschallunterdrückung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sektor eines Piezoaktuators als Sensor zur Erfassung des sekundären, in die Trägerstruktur einzuleitenden Schwingungssignals ausgebildet ist.