DE4008568A1

DE4008568A1 - Verfahren und vorrichtung zur aktiven steuerung von schwingungen

Info

Publication number: DE4008568A1
Application number: DE19904008568
Authority: DE
Inventors: Mark Francis Lucien Harper
Original assignee: Topexpress Ltd
Current assignee: Active Noise and Vibration Technologies Inc
Priority date: 1989-03-16
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1990-09-20
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: GB2229789B; GB8906070D0; GB2229789A; DE4008568C2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zur aktiven Steuerung von Schwingungen. Insbesondere be zieht sie sich auf die Isolierung von Stangen und Rohren ge genüber Schwingungen durch eine Steuerung der Nachgiebigkeit.

Vorgeschichte der Erfindung

Bei vielen Gelegenheiten können unerwünschte mechanische Schwingungen von einer Quelle über Rohre, Stangen oder andere biegsame Glieder übertragen werden. Ein Beispiel ist die Über tragung von Schwingungen aus einem Raumfahrzeug oder Satelli ten auf Antennen oder andere empfindliche Einrichtungen, die am Ende einer dünnen, sie tragenden Stange befestigt sind. In einem typischen Fall ist diese Stange nicht gedämpft, und stö rende Schwingungen verursachen Störungen an der Antenne oder Schwingungen in der Einrichtung und beeinträchtigen damit de ren normale Funktion.

Ein weiteres Beispiel ist die Übertragung von Schwingungen von schweren Maschinen, wie zum Beispiel Schiffsmaschinen, über mit ihnen verbundene Leitungen.

Verschiedene Veröffentlichungen befassen sich mit der Lö schung von Querwellen in Stangen unter Verwendung von Viel fach-Betätigungsorganen. Verwiesen sei insbesondere auf Schaechter, D.B., Eldred, D.B., "Experimental Demonstration of the Control of Flexible Structures", J. Guidance 7 (5), 1984, Seiten 527-534, und Mace, B.R., "Active Control of Fle xural Vibrations", J. Sound and Vib. 114 (2), 1987, Seiten 253-270.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Auslö schung sämtlicher Arten von Schwingungen unter Verwendung ei nes einzigen an der Stange befestigten Betätigungsorganes, wo bei es auch ein Verbund-Betätigungsorgan sein kann.

Für die Zwecke dieser Beschreibung werden Stangen und Rohre und gleichartige biegsame Glieder langgestreckte Glieder ge nannt.

Weiter bedeutet Schwingungsquelle jede Quelle, wobei Schwin gungen durch Längs- oder Drehbewegung oder Verdichtung entste hen können.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, mit dem eine unmittelbar oder mittelbar auf einen Abschnitt eines langgestreckten Gliedes einwirkende Schwingungsquelle an der Erzeugung von Schwingungen in einem anderen Abschnitt des langgestreckten Gliedes durch Befesti gen der Enden mindestens eines konstriktiven Elementes an dem langgestreckten Glied an verschiedenen Punkten entlang seiner Länge gehindert werden kann in solcher Weise, daß das kon striktive Element eine geringe Verformung des Abschnittes des langgestreckten Gliedes zwischen den Befestigungspunkten be wirkt, und dem konstriktiven Element Steuersignale so zuge führt werden, daß eine Übertragung einer Bewegung an einer Seite des konstriktiven Elementes auf die andere Seite im we sentlichen unterdrückt wird.

Unter dem Ausdruck "konstriktives Element" wird hier ein Betä tigungsorgan verstanden, dessen Länge sich in steuerbarer Wei se ändern läßt.

Beispiele solcher Betätigungsorgane sind elektrodynamische, piezoelektrische, hydraulische und magnetostriktive Betäti gungsorgane.

In jedem Fall erhöht oder verringert das Betätigungsorgan sei ne Länge nach Maßgabe eines Steuersignales.

Die Erfindung betrifft auch den Fall, bei dem die Stange eine endliche Länge aufweist und die Befestigungspunkte des kon striktiven Elementes oder der konstriktiven Elemente an den Enden der Stangen liegen.

Falls zum Beispiel eine Stange mit einer endlichen Lange an einem Ende schwingt, kann die Erfindung bewirken, daß eine entsprechende Bewegung am anderen Ende der Stange im wesentli chen verhindert wird.

Durch Befestigen von mehreren solcher Elemente am gleichen Ab schnitt eines langgestreckten Elementes bei richtiger Anord nung der Befestigungspunkte ergibt sich ein Verbund-Betäti gungsorgan, mit dem jede gewünschte kleine Verschiebung des Abschnittes der Stange unmittelbar auf eine Seite des Gebie tes der Befestigung der Betätigungsorgane mit Bezug auf die Stange auf der anderen Seite des langgestreckten Elementes er zeugt werden kann. Dies erfolgt durch Zuführung geeigneter Steuersignale zu den verschiedenen Elementen des Verbund-Betä tigungsorgans. Falls die erste Seite kleinen Verschiebungen ausgesetzt ist, zum Beispiel linearen Verschiebungen oder Ver drehungen um irgendeine Achse, infolge einer ungewünschte Schwingungen ausstrahlenden Quelle, die mittelbar oder unmit telbar auf sie einwirkt, läßt sich das Betätigungsorgan so an treiben, daß auf der anderen Seite entsprechende Verschiebun gen nicht stattfinden.

Mindestens sechs konstriktive Elemente sind zur Steuerung sämtlicher möglicher Schwingungen eines langgestreckten Ele mentes, durch die Längs- (Druck-), Quer- und Drehschwingungen durchtreten können, im allgemeinen erforderlich. Falls nicht sämtliche dieser Schwingungsarten gesteuert werden müssen, kommt man mit weniger konstriktiven Elementen aus.

Bei einer Stange werden die Enden der Elemente zweckmäßig an mit der Stange verbundenen Flanschen befestigt. Die Elemente verformen dann den zwischen den Flanschen liegenden Abschnitt der Stange.

Die Steuersignale zum Isolieren einer Schwingung werden im allgemeinen von einem aktiven Steuersystem abgeleitet. Dieses kann aus Schwingungssensoren bestehen. Diese messen die Schwingungen der Stange auf der einen, der anderen oder auf beiden Seiten des Betätigungsorgans und führen einer elektro nischen Steuervorrichtung Signale zu. Diese spricht auf die Signale an und leitet den konstriktiven Elementen des Betäti gungsorgans geeignete eigene Steuersignale zu. Der Abschnitt der Stange, an dem die Elemente befestigt sind, verhält sich dann nach Maßgabe der unerwünschten Schwingung so, als wenn er wesentlich biegsamer als die die Stange umgebenden Teile wäre.

Die Erfindung liegt auch in der Kombination eines langge streckten Elementes und mindestens eines konstriktiven Elemen tes und Steuersignalgeneratoren zum Beaufschlagen des kon striktiven Elementes, wie dies vorstehend beschrieben wurde.

Die Erfindung wird nun an einem Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei ist:

Fig. 1 die Darstellung eines Verbundbetätigungsorgans für ei ne gerade Stange und

Fig. 2 eine Stirnansicht entlang der Achse der Stange.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines bei einer geraden Stange mit konstantem Querschnitt anwendbaren Verbundbetäti gungsorgans. Zwei Ringflansche 1 sind fest mit einer Stange 2, die in diesem Fall Kreisquerschnitt aufweist, in zu ihrer Achse an den Befestigungspunkten einen Winkel von 90° ein schließenden Ebenen befestigt. Sechs konstriktive Elemente 3 sind vorgesehen. Mit je einem Ende sind sie an jedem Flansch befestigt. An jedem Flansch sind drei Befestigungspunkte un ter einem Winkelabstand von 120° und auf dem gleichen Halbmes ser zur Achse der Stange vorgesehen. Die Befestigungspunkte an einem Flansch sind um 60° gegenüber den Befestigungspunk ten am anderen Flansch um die Stangenachse verdreht. An jedem Befestigungspunkt sind zwei konstriktive Elemente verankert. Die jeweils anderen Enden sind an den beiden winkelmäßig nahe sten Befestigungspunkten am anderen Flansch verankert.

Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Stangenachse mit Angabe der Relativlagen der Befestigungspunkte an den gezeigten bei den Flanschen. Die auf dem zugewandten Flansch sind mit A 1 bis A 3 und die auf dem anderen Flansch sind mit B 1 bis B 3 be zeichnet. Die konstriktiven Elemente werden dann wie folgt be festigt:

zwischen A 1 und B 1
zwischen A 1 und B 3
zwischen A 2 und B 1
zwischen A 2 und B 2
zwischen A 3 und B 2
zwischen A 2 und B 3.

Man sieht, daß bei einer perfekt biegsamen Stange ein Flansch gegenüber dem anderen durch den konstriktiven Elementen zuge führte geeignete Steuersignale linear in jeder Richtung ver schoben oder um jede Achse verdreht werden könnte. Bei einer steifen Stange würden die Verschiebungen in ihrer Größe durch die Kräfte begrenzt, die sich von den gegen die Steifheit der Stange einwirkenden konstriktiven Elementen abnehmen ließen.

Vorzugsweise sollten die Flansche genügend steif ausgebildet werden, so daß sie sich unter den von den konstriktiven Ele menten und der Stange auf sie ausgeübten Kräften nicht verzie hen. Weiter sollten sie zum Vermeiden eines Schlupfes zwi schen Stange und Flansch ausreichend sicher an der Stange be festigt sein.

Der Radius der Befestigungspunkte und der Abstand zwischen den Flanschen richtet sich nach der Steifigkeit der Stange, den von den konstriktiven Elementen aufbringbaren Kräften, der Größe der zu isolierenden Schwingungen und der Masse der konstriktiven Elemente. Der Abstand zwischen den Flanschen und der Radius sollten zur Aufnahme dieser Elemente ausrei chen.

Der Abstand zwischen den Flanschen sollte auch ausreichend groß sein, damit die Elemente die relativen Translationsver schiebungen der Flansche parallel zu der Stangenachse bewir ken können, wie dies die Isolierung der Druckschwingungen ver langt.

Der Radius der Befestigungspunkte zur Stangenachse sollte wei ter ausreichen, damit die Elemente die weiteren zum Isolieren anderer Schwingungsarten notwendigen Übergangs- und Drehver schiebungen bewirken können.

Claims

1. Verfahren zur aktiven Schwingungssteuerung, bei dem eine unmittelbar oder mittelbar auf ein Gebiet eines langge streckten Gliedes einwirkende Schwingungsquelle am Erzeu gen von Schwingungen in einem anderen Gebiet des langge streckten Gliedes gehindert wird, gekennzeichnet durch das Befestigen der Enden von mindestens einem konstrikti ven Element (3) nach der vorstehenden Definition in sol cher Weise an dem langgestreckten Glied (2) an entlang von dessen Länge auseinanderliegenden Punkten (A, B), daß das konstriktive Element oder jedes konstriktive Element geringe Verformungen des Abschnittes des langgestreckten Gliedes zwischen den Befestigungspunkten (A, B) bewirken kann, und Steuersignale dem konstriktiven Element oder den konstriktiven Elementen so zugeführt werden, daß uner wünschte Bewegungen des langgestreckten Gliedes auf einer Seite des konstriktiven Elementes an einer Übertragung auf die andere Seite im wesentlichen gehindert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere elektrodynamische, piezoelektrische, hy draulische oder magnetostriktive Betätigungsorgane (3) als konstriktives Element oder konstriktive Elemente ver wandt werden und das bzw. jedes Betätigungsorgan (3) sei ne Länge nach Maßgabe eines Steuersignales vergrößert oder verringert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf den Fall, bei dem das langgestreckte Glied (2) eine endliche Länge aufweist und die Befesti gungspunkte für das konstriktive Element oder die kon striktiven Elemente (3) an den Enden des Gliedes liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere konstriktive Elemente (3) an dem gleichen Abschnitt eines langgestreckten Gliedes (2) mit einer geeigneten Anordnung der Befestigungspunkte (A 1, A 2, A 3, B 1, B 2, B 3) befestigt sind unter Bilden ei nes Verbundbetätigungsorgans, das jegliche gewünschte kleine lineare und/oder Drehverschiebungen des Abschnit tes des langgestreckten Gliedes unmittelbar auf einer Sei te des Befestigungsgebietes der Betätigungsorgane gegen über dem Glied auf der anderen Seite der Betätigungsorga ne nach Maßgabe von an die verschiedenen konstriktiven Elemente des Verbundbetätigungsorgans angelegten geeigne ten Steuersignalen erzeugt, so daß, falls die erste Seite aufgrund einer Quelle unerwünschter Schwingungen, die mit telbar oder unmittelbar auf sie einwirkt, kleinen Ver schiebungen ausgesetzt ist, das Betätigungsorgan angetrie ben wird, so daß auf der anderen Seite keine entsprechen den Verschiebungen auftreten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbetätigungsorgan durch mindestens sechs kon striktive Elemente (3) zum Erzeugen von sämtlichen mögli chen Schwingungen eines langgestreckten Gliedes, das Längs- (Druck-), Quer- und Drehschwingungen leiten kann, gebildet wird.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 bei An wendung auf ein durch eine Stanges gebildetes langge strecktes Glied, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des oder jedes konstriktiven Elementes (3) mit zwei an der Stange befestigten Flanschen (1) verbunden sind, so daß das oder jedes konstriktive Element den Abschnitt der Stange zwischen den Flanschen verformt.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale zum Isolieren der Schwingung von einem aktiven Steuersystem abgeleitet wer den.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Steuersystem Schwingungssensoren enthält, die Schwingungen des langgestreckten Gliedes (2) auf der ei nen, der anderen oder auf beiden Seiten des Betätigungsor gans erfassen und einem elektronischen Regler Signale zu führen, der auf diese anspricht und dem oder jedem kon striktiven Element (3) des Betätigungsorgans geeignete Steuersignale zuführt.

9. Aktives Schwingungssteuersystem zum Durchführen des Ver fahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 zum Unterdrücken ei ner Übertragung von unerwünschten Schwingungen entlang ei ner Stange, gekennzeichnet durch ein Betätigungsorgan (3) aus mindestens einem konstriktiven Element nach der vor stehenden Definition, Mittel zum Befestigen des Betäti gungsorgans zwischen zwei entlang einer Stange auseinan derliegenden Befestigungspunkten (A, B), Mittel zum Erfas sen von an die Stange angelegten unerwünschten Schwingun gen zum Erzeugen von Steuersignalen und einen elektroni schen Regler für das oder jedes konstriktive Element zum Bewirken von dessen oder deren Längenänderung nach Maßga be der Steuersignale, in Kombination mit der Stange (2).

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (3) mindestens ein parallel zu der Achse der Stange befestigtes konstriktives Element (3) und min destens ein zwischen Befestigungspunkten (A 1, A 2, A 3, B 1, B 2, B 3), die sowohl in Längsrichtung entlang als auch win kelmäßig um die Stange auseinanderliegen, befestigtes kon striktives Element (3) enthält.