DE202004008460U1

DE202004008460U1 - Vorrichtung zur Einstellung der Dämpfung einer schwingenden Maschinenverkleidung

Info

Publication number: DE202004008460U1
Application number: DE200420008460
Authority: DE
Original assignee: FEIN OLIVER; Fein Oliver Dipl-Ing Msc
Current assignee: FEIN OLIVER; Fein Oliver Dipl-Ing Msc
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2014-05-28

Abstract

Vorrichtung zur Einstellung der Dämpfung einer schwingenden Maschinenverkleidung, dadurch gekennzeichnet, daß
– mindestens ein Piezoelement auf der Maschinenverkleidung appliziert bzw. in ihr integriert ist
– Schwingungsenergie, welche auf jedes Piezoelement einwirkt, in Wärme umgesetzt wird, indem jedes Piezoelement durch Beschaltung mit einer ohmschen Last zur Aufnahme der Schwingungsenergie elektrisch leitend verbunden wird.

Description

Schwingende Maschinenverkleidungen stellen schon seit geraumer Zeit erhebliche Probleme dar: Schwingungen pflanzen sich innerhalb einer Maschine fort und können somit Fertigungstoleranzen erheblich verschlechtern und sie schwächen, aufgrund der Wechselbelastung, die verbauten Werkstoffe. Außerdem sind schwingende Maschinenverkleidungen aufgrund der Struktur-Fluid-Wechselwirkung verantwortlich für eine zunehmende Lärmbelastung der Maschine, was zu Auflagen im Sinne des Arbeitsschutzes führen kann.
Zur Dämpfung der Maschinenverkleidung werden häufig passive viskoelastische Schichten auf die Verkleidung aufgebracht. Dämpfung stellt sich bei diesen Materialien in einem begrenzten Temperaturbereich ein. Verläßt man diesen, fällt die Dämpfungserhöhung signifikant ab. Weiterhin ist mit dieser Maßnahme eine signifikante Zunahme des Gewichts der Verkleidung verbunden.
Alternativ können piezoelektrische Materialien (PZ) zur Schwingungsreduktion appliziert werden. Ihre Werkstoffeigenschaften sind in einem weiten Temperaturbereich konstant.
Die Schwingungsreduktion erfolgt basierend auf dem semi-passiven Konzept [siehe: Hagood, Flotow: Damping of Structural Vibrations with Piezoelectric Materials and Passive Electrical Networks, Journal of Sound and Vibrations, 146(2), pp. 243–268, 1991]. Aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts wird ein Teil der Schwingungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die im elektrischen Netzwerk teilweise dissipiert wird. Energiedissipation ist ausschließlich durch ohmsche Widerstände (R) als Bestandteil des elektrischen Netzwerks möglich. Der zusätzliche Einsatz von Kapazitäten (C) und Induktivitäten (L) kann zur Steigerung der Effizienz führen. Eine maximale Dämpfungszunahme wird durch geeignete Verschaltung der Bauelemente sowie deren Dimensionierung für eine bestimmte Frequenz erzielt [siehe hierzu: Caruso: A Critical Analysis of Electric Shunt Circuits Employed in Piezoelectric Passive Vibration Damping, Smart Material and Structures, 10, pp. 1059–1068, 2001].
Für optimale Dämpfungserhöhung in unterschiedlichen Frequenzbereichen (multi-modale Schwingungsreduktion) werden mehrere RLC-Äste parallel geschalten [siehe hierzu: Moheimani: A Survey of Recent Innovations in Vibration Damping and Control Using Shunted Piezoelectric Transducers, IEEE Transaction on Control Systems Technology, 11 (4), pp. 482–494, July 2003]. Ein jeder Ast ist für eine charakteristische Frequenz optimiert. Das Konzept kann durch Hinzunahme stromsperrender Elemente erweitert werden. Somit erreicht man, daß Energie nur jeweils in einem Zweig des Netzwerks dissipiert wird, was sich vereinfachend auf die Dimensionierung der einzelnen RLC-Zweige auswirkt.
Es sind auch Arbeiten bekannt, bei denen die z.T. sehr großen und schweren Induktivitäten durch eine elektronische Schaltung, bestehend aus Operationsverstärkern, ersetzt werden [siehe: Fleming: Synthetic Impedance for Implementation of Piezoelectric Shunt-damping Circuits, Electronics Letters, 36, pp. 1525–1526, 2000]. Die Induktivität dieser ,Spule' läßt sich elektronisch ändern.
Die genannten Verfahren erlauben nur für eine größere Anzahl der im Netzwerk befindlichen elektronischen Bauelemente eine optimale Schwingungsreduktion. Ihre Optimierung gestaltet sich aufwendig und das resultierende Gewicht des elektrischen Netzwerks ist hoch. Ferner müssen bei den Konzepten z.T. Induktivitäten eingesetzt werden, die gleichzeitig hohe ohmsche Lasten darstellen. Somit lassen sich die zur Energiedissipation notwendigen optimalen Widerstände häufig nicht mehr realisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Einstellung der Dämpfung einer Maschinenverkleidung zu schaffen, welche mit einfachen, adaptiven elektrischen Bauelementen von geringem Gewicht auskommt, deren Optimierung sich einfach gestaltet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß:

– mindestens ein Piezoaktor auf der Maschinenverkleidung appliziert ist und
– Schwingungsenergie, welche auf den Piezoaktor einwirkt, in Wärme umgesetzt wird, indem jeder Piezoaktor mit einem passiven Netzwerk beschalten wird.

Optimale, d.h. maximale Dämpfungszunahme erhält man gemäß
wobei ω die Betriebskreisfrequenz der schwingenden Maschinenverkleidung ist. Die Kapazität C ist diejenige des PZ 2; das piezoelektrische Material weist eine Materialkonstante k_p, den planaren Kopplungsfaktor, auf. Abhängig von ω ergibt sich ein bestimmter Widerstand R des elektrischen Netzwerkes.
Es ist eine automatische Adaption des optimalen Widerstands zur Schwingungsreduktion möglich. Diese kann genutzt werden, um Energie aus unterschiedlichen Schwingungsmoden der Verkleidung zu dissipieren, was zu einer multi-modalen Schwingungsmaßnahme an der Maschinenverkleidung führt.
Die Vorrichtung ist in 1 dargestellt. Die Maschinenverkleidung 1 wird aufgrund dynamischer Erregung zu Schwingungen angeregt. Auf der Verkleidung wird ein PZ 2 so aufgebracht, daß es aufgrund der Schwingung verformt wird. Begründet durch den direkten piezoelektrischen Effekt wird ein Teil der Schwingungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und in 2 gespeichert. Das elektrische Netzwerk 3 wird mit den Elektroden von 2 elektrisch leitend verbunden.
Das passive elektrische Netzwerk ist in 2 dargestellt. Der Anschluß erfolgt an den Klemmen 6 des Netzwerks, so daß die generierte elektrische Spannung zwischen den beiden Klemmen anliegt. Das Netzwerk besteht aus resistiven Elementen 4 und 5, wobei mindestens eines der Elemente ein variabler Widerstand in Form eines digitalen Potentiometers 5 ist. Dieser Widerstand 5 wird durch ein Signal 7 gesteuert, welches proportional zum Schwingungssignal von 1 ist.

Claims

Vorrichtung zur Einstellung der Dämpfung einer schwingenden Maschinenverkleidung, dadurch gekennzeichnet, daß – mindestens ein Piezoelement auf der Maschinenverkleidung appliziert bzw. in ihr integriert ist – Schwingungsenergie, welche auf jedes Piezoelement einwirkt, in Wärme umgesetzt wird, indem jedes Piezoelement durch Beschaltung mit einer ohmschen Last zur Aufnahme der Schwingungsenergie elektrisch leitend verbunden wird.
Vorrichtung zur Dämpfungseinstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Widerstand durch ein digitales Potentiometer aufgebaut wird.