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Schwingungstilger
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Besehreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungstilger
zur Dämpfung oder Beseitigung von unerwünschten Schwingungen, die durch Ausübung
von dynamischen Anregungskraften auf die Masse eines Gegenstands, wie einer Maschine,
entstehen, mit einer Dämpfungsmasse,die über ein Federelement mit dem genannten
Gegenstand gekoppelt ist0 Ein Schwingungstilger der vorstehend bezeichneten Art
wird in einer Vielzahl von praktischen Anwendungsfällen benötigt, wie bei Maschinen,
Fahrzeugen, Meßeinrichtungen usw., bei denen durch dynamische Anregungskräfte unerwünschte
störende oder schädliche Schwingungen auftreten. Um derartige Schwingungen zu beseitigen
oder zumindest zu dämpfen, sind bisher Schwingungstilger auf der Grundlage mechanischer
Resonanzsysteme entwickelt und angewendet worden.
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Bei einem Schwingungstilger der vorstehend bezeichneten benutzten
Art ist die über eine Feder mit einer Federkonstante cl fest angeordnete Masse ml
des Gegenstands, dessen Schwingungen zu dämpfen oder zu beseitigen sind, über eine
eine Federkonstante c2 besitzende weitere Feder mit einer Dämpfungsmasse m2 gekoppelt.
Die Erregung der Masse ml möge durch eine Anregungs- bzw. Brregungskraft P(t) erfolgen,
welche der Beziehung P(t) =p eiat (1) genügt; durch die Ankoppelung der Hilfsmasse
m2 über die die Federkonstante c2 besitzende Feder bzw. das entsprechende Federelement
läßt sich eine gewisse Schwingungsentstörung erzielen. Die angekoppelte Hilfsmasse
m2 stellt
nämlich mit der die Federkonstante c2 besitzenden Feder
ein gewissermaßen federerregtes Schwingungsgebilde dar, welches durch folgende Ersatzmasse
m* ersetzt gedacht werden kann:
Stimmt die Erregerkreisfrequenzin mit der Kennkreisfrequenz des Hilfssystems
überein, so tritt bei der betreffenden Tilgungsfrequenz eine Antiresonanz auf, und
die Ersatzmasse m* nimmt den Wert Unendlich an. Die Erregerkraft arbeitet dann scheinbar
auf eine unendlich große Masse, wodurch der Schwingungsweg zu Null wird. Damit befindet
sich die Masse ml in Ruhe.
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Von Nachteil bei dem vorstehend beschriebenen, bisher benutzten Schwingungstilger
ist die Tatsache, daß durch Ankoppeln der Hilfsmasse m2 zu dem die Masse ml besitzenden
System insgesamt ein System mit zwei Freiheitsgraden und damit mit zwei Resonanzfrequenzen
gebildet ist. Beim Durchlaufen der beiden Resonanzfrequenzen müssen durch Bereitstellen
geeigneter Dämpfungsglieder die sonst auftretenden schädlichen Schwingungsamplituden
begrenzt werden. Dies wirkt sich jedoch negativ im Sinne einer Verminderung der
Beseitigung bzw. Dämpfung der unerwünschten Schwingungen aus. Von Nachteil ist ferner,
daß der betrachtete, bisher benutzte mechanische Schwingungstilger lediglich für
feste, vorgegebene Betriebsfrequenzen angewendet werden kann, was seinen Anwendungsbereich
insgesamt relativ stark einschränkt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen,
wie ein Schwingungstilger der eingangs genannten Art auszubilden ist, um für unterschiedliche
ilgungsfrequenzen unter Dämpfung oder Beseitigung von unerwünschten Schwingungen
in einem relativ großen Frequenzbereich
angewendet werden zu können.
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Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Schwingungstilger
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß zur Dämpfung von Resonanzschwingungen
zwischen dem genannten Gegenstand und der Dämpfungsmasse eine elektrisch steuerbare
Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, die ausschließlich schädigende Schwingungen
beim Durchlaufen der Resonanzfrequenzen verhindert und die bei beiiaer/iligungsfrequenzabschaltbar
ist, und daß als Federelement ein variables Steifigkeitselement vorgesehen ist,
welches mittels eines elektrischen Stromes für beliebige feste oder variable Tilgungsfrequenzen
einstellbar ist.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache
Weise unerwünschte Schwingungen eines dynamischen Anregungskräften ausgesetzten
Gegenstandes über einen relativ weiten Frequenzbereich gedämpft oder sogar völlig
beseitigt werden können. Dabei erfolgt vorzugsweise eine solche Dämpfung der Resonanzschwingungen
der gesamten Anordnung, daß durch derartige Schwingungen keine schädigenden Auswirkungen
auf die Gesamtanordnung hervorgerufen werden. Uberdies ist von Vorteil, daß die
dafür maßgebende Dämpfungseinrichtung bei der jeweiligen Tilgungsfrequenz abschaltbar
ist und somit bei dieser Frequenz keine störende Wirkung entfaltet.
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Vorzugsweise ist das Steifigkeitselement mit einer elektrischen Leiteranordnung
am Ausgang einer zur Abgabe eines gewünschten Stromes entsprechend einstellbaren
ersten Steuerschaltung angeschlossen, und die elektrisch steuerbare Dämpfungseinrichtung
ist vorzugsweise ein aktives Wirbelstromdämpfungselement, welches mit einer Magnetfelderzeugungsspule
am Ausgang einer zur Abgabe eines gewunschten Stromes entsprechend einstellbaren
zweiten Steuerschaltung angeschlossen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines
besonders einfachen und wirksamen Aufbaus des Steifigkeitselements und der Dämpfungseinrichtung.
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Zweckmäßigerweise ist die elektrische Leiteranordnung des Steifigkeitselements
von dem genannten Gegenstand getragen, und diese elektrische Leiteranordnung ist
zwischen sie aufnehmende Magnetanordnungen mit der Dämpfungsmasse verbunden.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines besonders wirksamen elektromagnetischen
Steifigkeitselements.
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Vorzugsweise ist das elektromagnetische Steifigkeitselement aus mindestens
zwei Polpaaren in beliebiger, vorzugsweise ringförmiger Anordnung gebildet, die
durch einen Luftspalt gegenpolig gegenüberstehend getrennt sind, wobei in diesem
Luftspalt ein beweglich angeordneter Leiter angebracht ist,der von einem elektrischen
Strom in solcher Richtung durchflossen wird, daß bei einer Bewegung des Leiters
aus der neutralen Zone heraus elektromagnetische Rückstellkräfte entstehen, deren
Betrag von der elektrischen Stromstärke abhängig ist.Hierdurch ergibt sich der Vorteil
eines besonders einfachen und wirksamen elektromagnetischen Steifigkeitselements.
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Die Magnetfelderzeugungsspule des aktiven Wirbelstromdämpfungselements
ist vorzugsweise mit dem genannten Gegenstand verbunden, und in dem durch die Magnetfelderzeugungsspule
erzeugten Magnetfeld ist ein leitendes Teil enthalten, welches mit der Dämpfungsmasse
verbunden ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines besonders einfachen und dennoch
wirksam aufgebauten Wirbelstromdämpfungselements.
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Die beiden, im vorstehenden erwähnten Steuerschaltungen sind zweckmäßigerweise
über eine Verarbeitungsschaltung am Ausgang eines mit dem genannten Gegenstand gekoppelten
Schwingungsaufnehmers angeschlossen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf
besonders einfache Weise die zur Steuerung des Wirbelstromdämpfungselementes und
des elektromagnetischen Steifigktitselementes erforderlichen Ströme entsprechend
den jeweiligen Anwendungsfällen bereitgestellt werden können.
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Vorzugsweise enthält die vorstehend bezeichnete Verarbeitungsschaltung
einen Frequenz-Spannungs-Wandler, der eingangsseitig mit dem Schwingungsaufnehmer
verbunden ist und der ausgangsseitig über Entzerrernetzwerke mit den Steuerschaltungen
verbunden
ist. Dadurch ergibt sich eine besonders wirksame Steuerung der erwähnten Ströme.
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Die das aktive Wirbelstromdämpfungselement steuernde Steuerschaltung
ist vorzugsweise über zwei unterschiedlich eingestellte Spannungsdiskriminatoren
am Ausgang des einen Entzerrernetzwerks angeschlossen. Hierdurch ergibt sich der
Vorteil, daß auf besonders einfache Weise beim Durchlaufen der beiden unterschiedlichen
Resonanzstellen des gesamten Schwingungssystems ein Überschwingen vermieden bzw.
die aktive Wirkstromdämpfung erst eingeschaltet werden kann, die im Bereich der
eigentlichen Tilgungsfrequenzennicht wirkt und damit den Tilgungseffekt nicht negativ
beeinflußt.
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Zweckmäßigerweise ist dem Frequenz-Spannungs-Wandler ein Frequenzfilter
vorgeschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf relativ einfache Weise
der jeweils interessierende Frequenzbereich festgelegt und damit eine Aussonderung
von nicht interessierenden Frequenzen erreicht ist.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend bei spielsweise
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt anhand eines Blockschaltbildes eine Ausführungsform eines
Schwingungstilgers gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt schematisch ein bei dem Schwingungstilger gemäß Fig.
1 verwendetes Wirbelstromdämpfungselement.
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Fig. 3 zeigt schematisch ein bei dem Schwingungstilger gemäß Fig.
1 verwendetes elektromagnetisches Steifigkeitselement.
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Fig. 4 zeigt ein Amplituden-Frequenz-Diagramm zur Erläuterung der
Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Schwingungstilgers In Fig. 1 ist eine als
Schwingungstilger zu bezeichnende Anordnung dargestellt; die zur Dämpfung oder Beseitigung
von
unerwünschten Schwingungen dient, welche durch Ausübung von dynamischen Anregungskräften
auf die Masse ml eines Gegenstandes 1 entstehen, der insbesondere durch eine Maschine
gebildet sein mag, Der Gegenstand 1 ist über eine Feder bzw. ein Federelement 2
auf einem festen Boden 23 angeordnet. Die Anregungskräfte werden dem Gegenstand
1 von einer Erregungsquelle 3 her zugeführt.
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Der Gegenstand 1 mit seiner Masse m7 ist nun mit einem eine Masse
m2 besitzenden Gegenstand 6 gekoppelt. Zu dieser Koppelung gehören ein durch ein
elektromagnetieches Steifigkeitselement 4 gebildetes b'ederelement und ein Wirbelstromdämpfungselement
5. In diesem Zusammenhang ist in Fig. 1 lediglich schematisch angedeutet, daß das
elektromagnetische Steifigkeitselement 4 mit einer elektrischen Leiteranordnung
14 mit dem die Masse ml besitzenden Gegenstand 1 und mit einer Magnetanordnung 7
mit dem die Masse m2 besitzenden Gegenstand 6 gekoppelt ist. Bezüglich des Wirbelstromdämpfungselements
5 ist in Fig. 1 lediglich angedeutet, daß dieses mit einem eine Magnetfelderzeugungsspule
15 tragenden Träger mit dem Gegenstand 1 und mit einer eine Wirbelstromscheibe darstellenden
leitenden Platte 8 mit dem Gegenstand 6 gekoppelt ist. An dieser Stelle sei angemerkt,
daß die genaue Ausführung des elektromagnetischen Steifigkeitselements 4 und des
Wirbelstromdämpfungselements 5 von den in Fig. 1 schematisch angedeuteten Formen
abweichen kann, worauf weiter unten noch näher eingegangen werden wird.
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Der die Masse ml besitzende Gegenstand 1 ist mit einem Schwingungsaufnehmer
9 gekoppelt. Dieser Schwingungsaufnehmer 9 ist ausgangsseitig an dem Eingang eines
Verstärkers 10 angeschlossen. Am Ausgang des Verstärkers 10 ist ein Frequenzfilter
11 angeschlossen. Diesem Frequenzfilter 11 ist ein Frequenz-Spannungs-Wandler (f/V)
12 nachgeschaltet. Dieser Frequenz-Spannungs-Wandler 12 gibt ausgangsseitig eine
von der Hbhe der Frequenz der jeweiligen Eingangssignale abhängige Ausgangsspannung
ab. Diese Ausgangsspannung wird im
vorliegenden Fall zwei gesonderten
Entzerrernetzwerken 13,16 zugeführt. Das Entzerrernetzwerk 13 ist ausgangsseitig
an den einen Eingängen zweier Spannungsdiskriminatoren 18, 19 angeschlossen, die
an weiteren Eingängen mit einstellbaren Spannungsquellen 20 bzw. 21 verbunden sind.
Ausgangsseitig sind die beiden Spannungsdiskriminatoren 18, 19 an dem Eingang eines
Verstärkers 22 angeschlossen. Dieser Verstärker 22 ist ausgangsseitig an der Magnetfelderzeugungsspule
15 des Wirbelstromdämpfungselements 5 angeschlossen. Uber diese Verbindung wird
der Magnetfelderzeugungsspule 15 ein Strom I1 zugeführt.
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Das andere, bereits erwähnte Entzerrernetzwerk 16 ist ausgangsseitig
am Eingang eines Verstärkers 17 angeschlossen, welcher ausgangsseitig mit der elektrischen
Leiteranordnung 14 des elektromagnetischen Steifigkeitselements 4 verbunden ist
und über die betreffende Verbindung einen Strom I2 abzugeben vermag.
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Bevor auf die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung näher
eingegangen wird, seien zunächst das bei dieser Anordnung verwendete elektromagnetische
Steifigkeitselement und das bei dieser Anordnung vorgesehene Wirbelstromdämpfungselement
anhand der Fig. 2 bzw. 3 kurz betrachtet.
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In Fig. 2 ist das Wirbelstromdämpfungselement schematisch angedeutet.
Es enthält die in Fig. 1 bereits angedeutete Magnetfelderzeugungsspule 15, die in
einem eine Spannungsquelle 24 und einen einstellbaren Widerstand 25 enthaltenden
Stromkreis liegt, in welchem der Strom I1 fließt. Innerhalb des magnetischen Feldes
- wie es durch Pfeile 26 in Fig. 2 angedeutet ist - befindet sich die in Fig. 1
bereits angedeutete elektrisch leitende Platte 8. Diese Platte 8 kann in Richtung
der Pfeile 27 hin- bzw. herbewegt werden. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, trägt
die betreffende Platte 8 den die Masse m2 besitzenden Gegenstand 6. Bei dem somit
verwendeten Wirbelstromdämpfungselement handelt es sich also um
ein
aktives Wirbelstromdämpfungselement, bei dem die Stärke des Stroms I1 die entsprechende
Dämpfungswirkung bestimmt.
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In Fig. 3 ist schematisch der nähere Aufbau des bei der Anordnung
gemäß Fig. 1 verwendeten elektromagnetischen Steifigkeitselements 4 veranschaulicht.
Das in Fig. 3 angedeutete elektromagnetische Steifigkeitselement stellt ein lineares
Steifigkeitselement mit variabler Steifigkeit dar. Bei diesem Steifigkeitselement
befinden sich zumindest zwei Polpaare N-S in beliebiger, vorzugsweise linearer Anordnung
getrennt durch einen Luftspalt 34 gegenpolig gegenüber. In dem Luft spalt 34 ist
ein beweglich angeordneter Leiter 36 angebracht, der von einem elektrischen Strom
I2 in solcher Richtung durchflossen wird, daß bei einer Bewegung des Leiters 36
aus der neutralen Zone heraus elektromagnetische Rückstellkräfte entstehen.
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Der Betrag der Rückstellkräfte - die durch die Pfeile 35 angedeutet
sind - ist dabei von der elektrischen Stromstärke I2 abhängig. Bezüglich der Polpaaranordnung
sei noch angemerkt, daß gemäß Fig. 3 eine obere Polpaaranordnung 30 und eine untere
Polpaaranordnung 32 vorgesehen sind. Die zu jeder Polpaaranordnung 30 bzw. 32 gehörenden
Magnetpolanordnungen sind über einen magnetischen SchluB 31 bzw. 33 miteinander
gekoppelt. Bezüglich des erwähnten elektrischen Leiters 36 sei noch angemerkt, daß
dieser auf einem Wicklungsträger 37 entsprechend angebracht bzw. untergebracht sein
wird.
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Wie eingangs bereits erwähnt, kann das vorstehend betrachtete elektromagnetische
Steifigkeitselement gemäß Fig. 3 vorzugsweise als Drehsteifigkeitselement ausgebildet
sein. Ein derartiges Drehsteifigkeitselement ist bereits an anderer Stelle beschrieben
worden (siehe DE-Anm. P 24 55 355.7).
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Nachdem zuvor die Realisierungen des bei der Anordnung gemäß Fig.
1 vorgesehenen Wirbelstromdämpfungselements und des ebenfalls dort vorgesehenen
elektromagnetischen Steifigkeitselements anhand der Fig. 2 bzw. 3 näher veranschaulicht
worden sind, sei nunmehr die Funktionsweise der in Fig. 1
dargestellten
Anordnung unter Bezugnahme auf das in Fig. 4 dargestellte Kurvendiagramm näher betrachtet.
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Die Schwingungen des die Masse mi besitzenden Gegenstandes 1 werden
bei der Anordnung gemäß Fig. 1 mit Hilfe des Schwingungsaufnehmers 9 ermittelt und
über den Verstärker 10 und das nachgeschaltete Filter 11 dem Frequenz-Spannungs-Wandler
12 zugeführt. An den voneinander entkoppelten Ausgängen des Frequenz-Spannungs-Wandlers
12 steht eine Spannung zur Verfügung, die eindeutig funktionell der mit Hilfe des
Schwingungsaufnehmers 9 ermittelten Eingangsfrequenz zugeordnet ist. Mit Hilfe der
vorgesehenen Entzerrernetzwerke 13 bzw. 16 lassen sich jede beliebige lineare oder
nichtlineare Abhängigkeit zwischen der jeweiligen Frequenz und Spannung erreichen.
Dadurch ist es möglich, in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz das elektromagnetische
Steifigkeitselement 4 und damit den diesem Steifigkeitselement 4 zugeführten Strom
12 stets so abzustimmen, daß sich das gesamte Schwingungstilgungssystem gemäß Fig.
1 unabhängig von der Erregungsfrequenz der Erregungsquelle 3 stets im Zustand der
sogenannten Antiresonanz befindet. Dieser Zustand ist in dem Diagramm gemäß Fig.
4 an der mit ft bezeichneten Stelle angedeutet.
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Das in Fig. 4 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit der relativen
Schwingungsamplitude A/Ao des in Fig. 1 dargestellten Schwingungssystems - umfassend
im wesentlichen die Massen ml und m2 - in Abhängigkeit von der Frequenz f. Dabei
sind mit frl und fr2 die Resonanzstellen bezeichnet, die das in Fig. 1 dargestellte
Schwingungssystem - umfassend die Massen ml und m2 - besitzt.
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Um nun beim Durchlaufen der Resonanzstellen mit den Frequenzen frl
und fr2 das in Fig. 4 angedeutete Überschwingen des in Fig. 1 dargestellten Schwingungssystems
- umfassend die Massen ml und m2 - zu vermeiden, wird bei der in Fig. 1 dargestellten
Anordnung über die Spannungsdiskriminatoren 18,19
der einem Frequenz-Ansprechschwellwert
entsprechende Schwellwert so eingestellt, daß an den in Fig. 4 angedeuteten Resonanzstellen
(frl, fr2) die aktive Wirbelstromdämpfung durch das Wirbelstromdämpfungselement
5 eingeschaltet bzw.
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wirksam ist. Im Bereich der Tilgungsfrequenz ft gemäß Fig.4 ist hingegen
diese Dämpfung nicht wirksam. Dies hat zur Folge, daß dadurch der erstrebte Tilgungseffekt
nicht negativ beeinflußt wird.
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Aus vorstehendem dürfte somit ersichtlich sein, daß durch den beschriebenen
Schwingungstilger, wie er insbesondere in Fig. 1 veranschaulicht ist, sichergestellt
ist, daß eine Schwingungstilgung nicht nur bei einer ganz bestimmten vorgegebenen
Frequenz stattfindet, sondern innerhalb eines relativ weiten Frequenzbereichs möglich
ist, wobei zugleich ein Uberschwingen bei den Resonanzfrequenzen des insgesamt vorgesehenen
Schwingungssystems vermieden ist.