DE4007442A1 - Aktive schwingungssteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die aktive Schwin­ gungssteuerung.

Vorgeschichte der Erfindung

Es gibt viele Gelegenheiten, bei denen unerwünschte mechani­ sche Schwingungen durch eine ausgedehnte Struktur oder eine Anordnung von in mechanischer Verbindung stehenden Strukturen oder Körpern durchtreten. Ein Beispiel ist die Übertragung von Schwingungen aus einem Raumfahrzeug oder Satelliten auf Antennen oder andere empfindliche Einrichtungen oder Geräte, die am Raumfahrzeug oder Satelliten am Ende einer dünnen Stan­ ge befestigt sind. Diese Stange wird im allgemeinen nicht me­ chanisch gedämpft, und die Schwingungen wandern an ihr ent­ lang bis zur Antenne oder dem Gerät und beeinträchtigen damit deren normale Funktionen.

Ein weiteres Beispiel ist die Übertragung von unerwünschten Schwingungen von schweren Maschinen, wie zum Beispiel Schiffs­ motoren, über Leitungen, Aufhängungen oder andere sie mit dem Fundament verbindende Elemente.

Verschiedene Veröffentlichungen befassen sich mit dem Löschen von bestimmten Schwingungsarten durch punktförmig wirkende Be­ tätigungsorgane. Beispiele sind der Aufsatz von Schaechter und anderen in der Zeitschrift "Guidance" I(5), 1984, Seiten 527 bis 534, und der Aufsatz von Mace in der Zeitschrift "Sound and Vibration" 114 (2), 1987, auf den Seiten 253 bis 270.

Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt in der Ausbildung eines Verfahrens, mit dem durch Schwingungen hervorgerufene Ver­ schiebungen an einem ausgewählten Punkt oder einem kleinen Ge­ biet einer ausgedehnten mechanischen Struktur nach Belieben verändert oder insgesamt zum Verschwinden gebracht werden. Dies erfolgt durch das Anlegen von Steuersignalen an ein ge­ mäß der folgenden Beschreibung aufgebautes Betätigungsorgan.

Die Erfindung

Das erfindungsgemäße Betätigungsorgan besteht aus mehreren in einer Richtung wirkenden Trägheits-Betätigungsorganen, die so angeordnet sind, daß sie auf diesen Punkt oder das kleine Ge­ biet Kräfte ausüben.

Unter einem "in einer Richtung wirkenden Trägheits-Betäti­ gungsorgan" wird ein Betätigungsorgan verstanden, das sowohl in einer Richtung wirkt als auch mit Trägheitskräften arbei­ tet. Unter einem Betätigungsorgan wird eine Vorrichtung ver­ standen, die nach Maßgabe eines Steuersignales eine Einwir­ kung erzeugt. Unter dem Ausdruck "in einer Richtung wirkendes Betätigungsorgan" wird ein Betätigungsorgan verstanden, das eine Einwirkung in nur einer einzigen Richtung ausübt. Die Einwirkung ist in diesem Fall eine in der Richtung der Einwir­ kung ausgeübte Kraft. Unter dem Ausdruck "Trägheits-Betäti­ gungsorgan" wird ein Betätigungsorgan verstanden, das auf­ grund der Trägheitsreaktion einer Masse, die in einer zu der Richtung der erzeugten Kraft entgegengesetzten Richtung be­ schleunigt wird, eine Kraft erzeugt. Bezug wird genommen auf die durch den Punkt, an dem die Einwirkung erfolgt, und paral­ lel zu der Richtung der Einwirkung verlaufende Euklid′sche Li­ nie. Diese Linie wird "Einwirkungsachse" genannt. Beispiele für geeignete Vorrichtungen sind durch eine träge Masse unter­ stützte elektrodynamische oder hydraulische Betätigungsorga­ ne.

Der gewünschte Effekt läßt sich zweckmäßig durch Abstützen der Trägheits-Betätigungsorgane an einem steifen Zwischenkör­ per, wie zum Beispiel einem Flansch oder einer Platte, die dann fest mit dem Punkt oder dem kleinen Gebiet verbunden wer­ den, erreichen. Zum Erzielen der Steuerung über viele Frei­ heitsgrade der Schwingungen, das heißt der Steuerung über ei­ ne Übertragung in bis zu drei voneinander unabhängigen Rich­ tungen und auch über eine Drehung um bis zu drei voneinander unabhängigen Achsen des zu steuernden Punktes ist zur Einwir­ kung auf einen im wesentlichen steifen Zwischenkörper mehr als ein in einer Richtung wirkendes Trägheits-Betätigungsor­ gan nötig. Die Einwirkungsachsen der Betätigungsorgane müssen so ausgerichtet sein, daß sie auf den Zwischenkörper die Dreh­ momente und linearen Kräfte ausüben, die an dem zu steuernden Punkt ausgeübt werden sollen, damit zwei oder mehr Freiheits­ grade der Schwingungsbewegung gesteuert werden. Zum Ausüben der Steuerung kann der Zwischenkörper dann mit diesem Punkt fest verbunden werden. Falls ein Minimum von sechs in einer Richtung wirkenden Trägheits-Betätigungsorganen entlang von passend ausgerichteten Einwirkungsachsen auf den Zwischenkör­ per einwirkt, kann die Steuerung auf sämtliche sechs Frei­ heitsgrade der Bewegung des zu steuernden Punktes ausgeübt werden. Falls möglicherweise eine geringere Zahl von Frei­ heitsgraden zu steuern ist, reicht eine geringere Zahl von in einer Richtung wirkenden Trägheits-Betätigungsorganen aus.

In dem besonderen Fall, daß der Punkt oder das kleine Gebiet in der Struktur, die im wesentlichen steif ist und eine geeig­ nete Ausdehnung hat, enthalten oder einem Teil dieser Struk­ tur äquivalent ist, kann der Zwischenkörper weggelassen und die in einer Richtung wirkenden Betätigungsorgane unmittelbar an dem steifen Teil der Struktur, die dann wie ein steifer Zwischenkörper wirkt, befestigt werden. Ein gemäß der obigen Beschreibung aufgebautes Betätigungsorgan kann zusammen mit Sensoren verwandt werden, die eine unmittelbare oder mittelba­ re Information bezüglich der Vibration an dem Punkt oder dem kleinen Gebiet liefern, an dem die Steuerung erwünscht ist. Zum Beispiel können die dem Betätigungsorgan zugeführten Steu­ ersignale unter Bezug auf von Vibrationssensoren, die an oder in dem Punkt oder dem kleinen Gebiet angeordnet sind, erhalte­ nen Signalen bestimmt werden. Als weiteres Beispiel sei ge­ nannt, daß Informationen von Sensoren oder an anderer Stelle in der Struktur angeordneten Vibrationsquellen zusammen mit oder anstelle der Signale von den zuerst erwähnten Sensoren zusammen mit dem Wissen über die die Vibration weiterleiten­ den Eigenschaften der Struktur verwandt werden können. Damit werden Vibrationen an dem Punkt oder dem kleinen Gebiet vor­ ausgesagt und die an das Betätigungsorgan zum Erzielen der ge­ wünschten Steuerung anzulegenden Steuersignale bestimmt. Eine automatische Steuerung kann unter Verwendung der Information von den vorstehenden genannten Sensoren oder Quellen und dem vorstehend erwähnten Wissen über die Eigenschaften der Struk­ tur zum Erzeugen der Steuersignale verwandt werden. In diesem Fall wird eine aktive Steuerung der Vibration an dem vorge­ nannten Punkt oder dem kleinen Gebiet erzielt.

Beschreibung der Ausführungsform

Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen er­ läutert. Dabei ist:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Betätigungsorganes und

Fig. 2 eine Ansicht in Blickrichtung der Achse dieser Ausfüh­ rungsform.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine zum Verwirklichen des Betäti­ gunsorganes nutzbare Ausführungsform. Sechs in einer Richtung wirkende Trägheits-Betätigungsorgane sind an ihren Einwir­ kungspunkten 2 und 3 mit einem im wesentlichen steifen Flansch 1 verbunden. Fig. 1 zeigt den Flansch von der Seite, während Fig. 2 eine Aufsicht zeigt.

In diesem Beispiel ist der Flansch 1 eine flache scheibenför­ mige Platte, während die Körper der Betätigungsorgane 4 und 5 ohne zusätzliche angebrachte träge Massen gezeigt werden.

Die Einwirkungspunkte 2 sind unter gleichen Winkelabständen von 120° um den Mittelpunkt der Scheibe verteilt. Das gleiche gilt für die Einwirkungspunkte 3. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die Einwirkungspunkte 3 gegenüber den Punkten 2 auf ihrer linken und ihrer rechten Seite unter verschiedenen Winkeln angeordnet. Dies ermöglicht die Anordnung der Betäti­ gungsorgane 5. Die Punkte 2 und 3 können jedoch zusammenfal­ len. Der Mittelpunkt der Scheibe 6 wird in den Fig. 1 und 2 angegeben, und die Achse 7 des Flansches, die durch 6 durch­ tritt und unter 90° zum Flansch 1 verläuft, wird in Fig. 1 ge­ zeigt. Sämtliche sechs Einwirkungspunkte liegen gegenüber dem Mittelpunkt 6 auf dem gleichen Radius.

Die Einwirkungsachsen von drei der Betätigungsorgane 4 liegen parallel zu der Flanschachse 7 und die Betätigungsorgane 4, die gemeinsam zur Wirkung kommen, üben damit entweder eine Kraft auf den Flansch parallel zur Achse 7 oder ein Kräfte­ paar um jede gewählte Achse aus, die durch 6 durchtritt und unter 90° zu 7 oder irgendeiner von diesen in Kombination ver­ läuft. Die Einwirkungsachse jedes der verbleibenden Betäti­ gungsorgane 5 läuft unter 90° zu 7 und liegt tangential am Bo­ gen eines imaginären Kreises an, dessen Mittelpunkt bei 6 liegt und der durch den Einwirkungspunkt 3 der Betätigungsor­ gane durchtritt. Die gemeinsam zur Wirkung kommenden Betäti­ gungsorgane 5 bewirken damit entweder eine Translationskraft parallel zu irgendeiner dieser gewählten Achsen unter 90° zu 7 oder ein Kräftepaar um 7 oder irgendeiner von diesen in Kom­ bination. Die erzeugten Kräfte oder Drehmomente werden mit den den in einer Richtung wirkenden Betätigungsorganen zuge­ führten Steuersignalen bestimmt.

Claims (10)

1. Verfahren zur aktiven Schwingungssteuerung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere in einer Richtung wirkende Träg­ heits-Betätigungsorgane (4, 5) gemäß der vorhergehenden Definition so angeordnet und gesteuert werden, daß sie auf einen Punkt oder ein kleines Gebiet einer ausgedehn­ ten mechanischen Struktur Kräfte so ausüben, daß durch Schwingungen hervorgerufene Verschiebungen an diesem Punkt oder diesem kleinen Gebiet geändert oder gelöscht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsorgane (4, 5) so abgestützt werden, daß sie auf diesen Punkt oder das kleine Gebiet durch ein steifes an dem Punkt oder Gebiet befestigtes Zwischenteil (1) einwirken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steife Zwischenteil ein Teil der ausgedehnten mechani­ schen Struktur ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steife Zwischenteil ein Körper, wie zum Beispiel ein Flansch oder eine Platte (1) ist, die oder die mit dem Punkt oder dem Gebiet fest verbunden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, Anspruch 3 oder Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Betätigungsorgane durch das steife Zwischenteil (1) abgestützt werden.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch mindestens sechs Betätigungsorgane (4, 5), zum Ausüben einer Steuerung auf sämtliche zu steuernde sechs Freiheitsgrade des Punktes oder Gebietes.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren unmittelbar oder mittelbar zum Messen von unerwünschten Schwingungen an dem Punkt oder dem kleinen Gebiet und zum Erzeugen von zum Steuern der Betätigungsorgane verwandten Steuersignalen verwandt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren an dem zu steuernden Punkt oder dem zu steu­ ernden kleinen Gebiet angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in einem Abstand von dem Punkt oder dem klei­ nen Gebiet angeordnet sind und ihre Ausgangssignale zum Erzeugen von Betätigungsorgan-Steuersignalen mit die Schwingungs-Übertragungseigenschaften der Struktur dar­ stellenden Daten zusammengesetzt werden.

10. Anordnung zur aktiven Schwingungssteuerung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch meh­ rere in einer Richtung wirkende Trägheits-Betätigungsorga­ ne (4, 5) gemäß der vorhergehenden Definition, die an dem Punkt oder dem Gebiet zum Ausüben von Kräften auf diese angeordnet sind, und Steuereinrichtungen für die Betäti­ gungsorgane, die Sensoren zum Erzeugen von die Betäti­ gungsorgane steuernden Steuersignalen erzeugen in Kombina­ tion mit einer ausgedehnten mechanischen Struktur mit ei­ nem Punkt oder kleinen Gebiet, an denen ungewünschte Schwingungen geändert oder unterdrückt werden sollen.