DE2051911A1

DE2051911A1 - Einrichtung zur aktiven Unterdrückung von Schwingungen an Maschinen, Bauteilen oder dergleichen

Info

Publication number: DE2051911A1
Application number: DE19702051911
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr.-Ing.; Philipp Jürgen; 8000 München Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1970-10-22
Filing date: 1970-10-22
Publication date: 1972-04-27

Description

Linrichtung zur aktiven Unterdrdckung von Schwingungen an .taschinen, Bauteilen oder dergleichen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur aktiven Unterdrückung von Schwingungen an maschinen, Bauteilen oder dgl., bei der die Schwingungen durch in das Bauteil eingeleitete Gegenkräfte ganz oder teilweise ausgelöscht werden, mit mindestens einem schwingfähigen Spule-Magnet-System als Antischwinger, nach Patent (Patentanmeldung P 19 18 77.4).
In diesen Antischwingern wird die elektromotorische Kraft, welche von stromdurchflossenen Spulen auf Magnete ausgeübt wird ausgenutzt, um eine Schwingung zu erzeugen. Durch eine gesteuerte Erregung der Spule ist es möglich, eine Schwingung von ganz bestimmter Frequenz zu erzeugen, die dann auf das schwingende Bauteil übertragen werden kann. Auf diese Weise gelingt es, die Schallabstrahlung von mitschwingenden Bauteilen herabzusetzen, die Schalldämmung, insbesondere von Wunden zu verbessern und die dynamischen Kräfte in einem System zu verkleinern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen kompakten Aufbau aufweist und leicht zu montieren ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Antischwinger als ein in einem Gehäuse integriertes Bauteil ausgebildet ist, wobei jeweils die Spule oder der Magnet mit dem auf dem senwingenden Bauteil zu befestigenden Gehäuse starr verbunden und der verDleibende, als seismische Masse wirkende Teil degenüber beweglich angeordnet ist, und wobei die Spule mit der für die Gegenschwingungen geforderten Frequenz erregbar ist.
ber Antischwinger kann als g'anzes an dem zu dämpfenden Ort des Bauteils oder ast Ort der Störschwingung anmontiert werden, worauf dann nur noch ein elektrischer Anschluß für die Erregung der Spule erforderlich ist. In vielen Fällen genU,gt ein einziger Antischwinger, in anderen Fällen kann ein mehr oder weniger engmaschiges Netz von Antischwingern vorgesehen werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen 5 daß im Fuße des Gehäuses ein Schwingungssensor sowie ein Regelverstärker angeordnet sind, wobei der Re,elverstärker die' vom Sohwingungssensor aufgenommenen Signale an die Spule des Antischwingers weitergibt. Schwingungssensor, Regelverstärker und Spule bilden einen Regelkreis, der bei einer aussen angreifenden Vibrationskraft eine entgegengesetzt wirkende Kraft erzeugt. Diese Kraft stützt sich auf dem als seismische Masse wirkenden Teil des Spule-Magnet-Systems ab.
Die Art des Reglungssystems richtet sich im wesentlichen nach dem Typ des Schwingungssensors. Bei einem beschleunigungsempfindlichen Schwingungssensor hat das Regelungs-system P-Verhalten. Bei einem geschwindigkeitsempfindlichen Sensor z.B. einer seismisch gelagerten Spule ist im wesentlichen eine D-Regelung anzuwenden.
Nach einem weiteren merkmal der Erfindung wird bei periodischen, zu einem bestimmten Vorgang zwangssynchronen Schwingungskräften auf Schwingungssensor und Regelungssystem verzichtet, da der Antischwinger direkt durch diesen Vorgang gesteuert werden kann.
Zum Nachjustieren sind lediglich einstellbare Phasenschieber und Amplitudenversteller am Antischwinger vorgesehen. Bei stark obertonhaltigen Schwingungen können darüber hinaus getrennte Amplitudenversteller und Phasenschieber vorgesehen werden. Bei der Abschirmung großflächiger Wände, bei der mehrere Antischwinger verwendet werden müssen, sollen erfindungsgemäß jeweils mehrere Antischwinger von dem Regelverstärker eines Gegenschwingers gesteuert werden.
Die theoretische Leistung, die ein Antischwinger zur Unterdrückung einer Störschwingung aufbringen muß, ist Null. Diese zunächst überraschende Eigenschaft kann man sich zB. so vorstellen, daß der Antischwinger den Schwingungsausschlag unterdrdckt, so daß auch die Arbeit als Produkt von Kraft mal Weg verschwindet.Reibungsverluste und ohmsche Verluste ergeben im realen Fall allerdings einen Leistungsverbrauch. Erfindungsgemäß gelingt es, bei Verzicht auf vollständige Auslöschung, Energie aus der Störschwingung zu gewinnen und damit den Antschwinger zu betreiben, dadurch, daß die Kraft des Antischwingers nicht genau antiphas, d.h. nicht genau um 180° gegenüber der Störschwingung versetzt ist, sondern etwas weniger. Bei einer anderen Betriebsart wird zeitweise vollständig auf eine Schwingungsunterdrückung verzichtet und das elektromagnetische System als Dynamo benützt, der einen Akku auflädt. Dieser ist im Antischwinger mit eingebaut und speist im Arbeitsbetrieb das ganze System.
bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Magnet des Antischwingers als permanentmagnetischer Ringmagnet und die Spule als in einem Ringschlitz des magneten angeordnete Tauchspule ausgebildet, wobei die Spule fest mit dem Gehäusefuß verbunden, der Magnet jedoch im Gehäuse in Richtung der Spulenachse beweglich angeordnet ist. Der Permanentmagnet ist dabei gleichzeitig die seismaische Masse, der gegenüber sich die von der Spule aufgebrachte Kraft abstützt. Der magnet weist dabei erfindungsgemäß eine zentrale, zur Spule koaxiale Bohrung auf, mittels der er auf einem Gehäuse angeordneten Fü1rungsstift geführt wird.
In einen weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesenen, daß das Gehäuse als gasdicht abgeschlossene itembrandose ausgebildet ist, auf deren Boden eine flache spiralförmige Spule, und an dessen Deckel ein plattenförmiger Magnetkörper befestigt sind und daß Spule und 4agnetkörper einen der Schwingungsamplitude des :laanetkörpers entsprechenden Abstand voneinander aufweisen. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders flache Bauweise des Antischwingers.
Die Erfindung sieht vor, daß das jeweils als seismische wirkende Teil durch Federelemente gegenüber dem Geh 98 stützt ist, wobei durch Abstimmung der Federelemente und seismischen Masse aufeinander deren Eigenfrequenz herz Au quenz der zu unterdrückenden Schwingung entspricht. .
elemente können im zuerst beschriebenen Ausführungsbei Druckfedern ausgebildet sein, welche Bewegungsspielraum der seismischen Masse begrenzen, oder sie können durch den elasti Deckel des Gehäuses selbst, an dem die Masse ar';g"e'9rdn,et;', ist, dargestellt sein.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Antischwinger mit einer fest auf dem Gehäuseboden angeordneten Spule sowie einem als seismische Masse ausgebildeten Permanentmagneten; Fig. 2 einen Antischwinger mit einem fest mit dem Gehause Ve,,rbundenen Permanentmagneten sowie einer diesen umgebende als seismische Masse ausgebildeten Spule; Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2; Fig. 4 ein in einer geschlossenen Membrandose angeordnetes Spule Magnet-System, wobei die Spule auf dem Boden, der Magnet am Deckel der Membrandose angeordnet ist.
Der elektrodynamisch betriebene Antischwinger gemäß der Fig. 1 besteht u.a. aus einer ringförmigen Tauchspule 2, die auf einem Gehäusefuß 3 montiert ist. Die Tauchspule 2 befindet sich in dem ringförmigen Schlitz eines Ringmagneten 1. Der R,ingmagnet 1 ist vorzugsweise permanentmagnetisch. Er kann aber in an sich bekannter Weise auch als Elektromagnet ausgebildet sein. Am Fuß 3 befindet sich ein Fdhrungsstift 4, auf dem der Ringmagnet 1, g e sch Anschlagfedern 5 gehalten, verschiebbar angeordnet ist. Duch Verstärkung bzw. Anderung der Federn, z.B. bei Ausbildung als Tellerfedern, kann die mechanische Eigenfrequenz des Systems auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Durch ein Gehäuse 6 kann die gesamte Anordnung abgeschlossen sein. Im Fuß 3 befindet sich außerdem ein Schwingungssensor 7, z.B. ein Beschleunigungsaufnehmer.
In einem Regelverstärker 8 wird dieses Signal verstärkt und damit die Tauchspule 2 gespeist, so daß die Spulenkraft entgegengesetzt der auf den Gehäusefuß 3 wirkenden Beschleunigungskraft gerichtet ist. Schwingungssensor 7, Regelverstärker 8 und Tauchspule 2 bilden so einen Regelkreis, der bei einer außen angreifenden Vibrationskraft eine entgegengesetzt wirkende Kraft erzeugt. Diese Kraft stützt sich auf dem gleichzeitig als seismische Masse wirkenden Ringmagneten 1 ab. Wird dieser Antischwinger an einem zu dämpfenden Bauteil befestigt, so unterdrückt der Anlischwinger an der Befestigungsstelle die Vibrationsschwingung des Bauteiles.
Zu dieser Grundausführung sind eine Reihe von Variationen möglich.
So kann anstelle des Führungsstiftes 4 der Ringmagnet 1 gegenüber der Tauchspule 2 durch Kugeln in der Art eines Längslagers geführt werden. Ebenso ist es möglich, durch elastische Tellerfedern, die oben und unten in Führungsrillen am Ringmagnet 1 und am Fuß 3 bzw.
am Abschlußdeckel 6 eingreifen, eine Halterung zu erreichen. Bei kleinen Ausschlagamplituden kann der Ringmagnet 1 auch durch Gummi oder andere elastische Stoffe gehalten werden. Entsprechend dem jeweiligen Einsatzzweck sind extrem flache Ausführungsformen dadurch möglich, daß mehrere Tauchspulen konzentrisch oder über die Fläche verteilt verwendet werden. Ebenso sind extrem langgestreckte Ausführungsformen denkbar.
In Umkehrung zu der Lösung gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Spule 11 als seismische Masse ausgebildet ist, in der sich ein Permanentmagnet 12, der auch ein Elektromagnet sein kann, befindet.
Durch Weicheisenjoche 13 wird der magnetische Fluß geführt. Durch Verbindungsstifte 14 ist der Permanentmagnet 12 fest mit dem Gehäuse 16 verbunden. Die Spule i1 wird letztenendes durch Federn, z.B. Tellerfedern 15, gehalten. Über den Spulenstrom kann zwischen der Spule 11 und dem Permanentmagnet 12 eine steuerbare Kraft erzeugt werden, die nach der Vorschrift des Antischwingers Uber einen Schwingungssensor 17 und ein Regelsystem 18 so geregelt wird, daß die Störschwingungskraft gerade. kompensiert wird.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt, in welchem die magnetische Anziehung eines inhomogenen Magnetfeldeszur Erzeugung von Antischwingungen benutzt wird. Ein Weicheisenkörper 22 befindet sich,innerhalb einer Magnetspule 21, die ihrerseits von einem WeicheisenJoch 23 umgeben ist. Weicheisenkörper 22 und Weicheisenjoch 23 sind durch eine RUckstellfeder, z. B. eine Tellerfeder 25, gegeneinander elastisch abgefedert. Bei Stromfluß in der Magnetspule 21 wird der Weicheisenkörper 22 angezogen und gegen die Tellerfeder 25 gedrückt. Durch Steuerung des Grundstromes kann damit eine vorgegebene Kraft auf den Weichseisenkörper 22 eingeleitet werden. Dieser ist kraftschlüssig' mit dem Fuß 27 verbunden. Im Fuß 27 sind wiederum ein Schwingungssensor 29 und ein Regelverstärker 28 zur Steuerung des Spulenstromes untergebracht. Durch Wahl der Federkonstante der Tellerfeder 25 undSoder der Anziehungscharakteristik der Magnetspule-Weicheisenjoch-Anordnung kann das Schwingungssystem auf jede gewünschte Eigenfrequenz eingestellt werden. Durch Veränderung des Grundstromes ist es auch möglich, die Eigenfrequenz von außen zu verstellen. Ein Gehäuse 26 umschließt auch hier die gesamte Anordnung.
Zur Reduktion relativ schwacher Vibrationsschwingungen eignet sich besonders das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel. Eine auf dem Boden des Gehausesa6ngeordnete Spiralspule 31 oder eis auf den Boden aufgeätzte Spiralleiter befindet sich gegenGber einer ferromagnetischen Gegenplatte 32. Diese wirkt gleichzeitig als seismische Masse. Zwischen Spiralspule 31 und Gegenplatte 32 befindet sich ein durch eine elastische Randbegrenzung abgeschlossenes Luftvolumen 33. Zur Erhöhung der Inhomogenität und damit der Anziehungskraft des Magnetfeldes befinden sich in der Gegenplatte konzentrische oder radiale Rillen. Bei Stromfluß durch die Spiralspule 31 ziehen sich Spiralspule 31 und Gegenplatte gleichzeitig an. Durch Modulation des Grundstromes kann eine geforderte Wechselkraft erzeugt werden. Das Luftvolumen 33 dient dabei als RUckstellfeder. Anstelle der Luftfeder sind auch andere elastische Federmechanismen möglich.

Claims

Patentansprüche

< inrichtung zur aktiven Unterdrückung von Schwingungen an Machinen, Bauteilen o.dgl., bei der die Schwingungen durch in das Bauteil eingeleitete Gegenkräfte ganz oder teilweise ausgelöscht werden, mit mindestens einem schwingfähigen Spulei'agnet-System als Antischwinger, nach Patent .... (Patentanmeldung P 19 13 747.4), dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Antischwinger als ein in einem Gehäuse (6, 16, 26, . ) integriertes Bauteil ausgebildet ist, wobei jeweils die Spule (2, 11, 21, 31) oder der Magnet (1, 12, 22, 32, ) mit dem auf dem schwingenden Bauteil zu befestigenden Gehäuse starr verrunden und der verbleibende als seismische Masse wirkende Teil demgegenüber beweglich angeordnet ist, und wobei der Spulenstrom entsprechend dem erforderlichen Verlauf der Gegenkräfte steuerbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, insbesondere dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß im Fuße (3, 27) des Gehäuses (6, 26) ein Schwingungssensor (7, 29) sowie einiRegelverstärker (8, 28) angeordnet sind, wobei der Regelverstärker die vom Schwingungssensor aufgenommenen Signale an die Spule des Antischwingers weitergibt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, insbesondere für periodische, deterministische Schwingungen, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Spule (2, 11, 21, 31) des Antischwingers durch einen vorprogrammierten, von der Störkraftquelle getriggerten Steuerkreis angesteuert wird,
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß dem Steuerkreis Phasenschieber und Amplitudenversteller zugeordnet sind.
5. Einrichtung nach A-nspruch l, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß mehrere Antischwinger von dem Regelverstrker (8,28) eines Mutter-Antischwingers gesteuert werden.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und-5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß den gesteuerten Antischwingern jeweils Zeitschieber zum Ausgleich der verschiedenen Lauf~ zeitdifferenzen zugeordnet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch ls dadurch g e k e n nt z e i c h -n e t, daß zur Unterdrückung von 2- oder 3-dimensionalen Schwingungen mehrere senkrecht zueinander angeordnete Antischwinger vorgesehen sind.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen l bis 3, dadurch g e k è n n -z e i c h n e t, daß der Magnet (1) des Antischwingers als permanentmagnetischer Ringmagnet und die Spule (2) als in einem Ringschlitz des Magneten angeordnete Tauchspule ausgebildet ist, wobei die Spule fest mit aem Gehäusefuß (3) verbunden, der Magnet jedoch im Gehäuse (6) in Richtung der Spulenachse beweglich angeordnet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß der Magnet (1) eine zentrale, zur Spule koaxiale Bohrung aufweist, mittels der er auf einem im Gehäuse angeordneten Führungsstift (4) geführt wird.
10. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Magnet (12) als fest mit dem Gehäuse, verbundener Permanentmagnet ausgebildet ist, welcher von einer als seismisc11e Masse ausgebildeten, gegenUbf dem Magneten längsverschiebbaren Spule (ll)umgeben ist.
11. r'inrlci1tung nach den Ansprüchen l bis 3> dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß ein auf dem Gehäuseboden fest angeordneter permanenter stabformiger Elagnet (22) von einer Spule (21) umgeben ist, die ihrerseits in einen über den Stabmagneten gestülpen, topfförmigen Weicheisenk,örper (24) eingebettet ist, und, daß zwischen Weicheisenkörper und Stabmagnet eine in Bewegungsrichtung wirkende Rückstellfeder angeordnet ist.
12, Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Gehäuse (36) als gasdicht abgeschlossene membrandose ausgebildet ist, auf deren Baden eine flache, spiralförmige Spule (31), und an dessen Deckel ein plattenförmiger Magnetkörper (32) befestigt sind, und daß Spule und Magnetkörper einen der Schwingungsamplitude des Magnetkörpers entsprechenden Abstand voneinander aufweisen.
13. Einrichtung nach den vorstehenden AnsprAchen, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß das jeweils als seismische Masse wirkende Teil durch Federelemente (5, 15) gegenüber dem Gehäuse zentriert ist.

L e e r s e i t e