DE4008568C2 - Schwingungssteuervorrichtung zum Verhindern der Fortpflanzung von Schwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Schwingungssteuervorrichtung zum Verhindern der Fortpflanzung von Schwingungen entlang eines langgestreckten Gliedes, be­ stehend aus einem an einem langgestreckten Glied entlang von an diesem in Längsrichtung auseinanderliegenden Stellen befestigten Betätiger, Sensormitteln zum Feststellen von Schwingungen in dem langgestreckten Glied und einem auf die Sensormittel ansprechenden elektronischen Regler zum Antreiben des Betäti­ gers.

Bei vielen Gelegenheiten können unerwünschte mechanische Schwingungen von einer Quelle über Rohre, Stangen oder andere biegsame Glieder übertragen wer­ den. Ein Beispiel ist die Übertragung von Schwingungen aus einem Raumfahr­ zeug oder Satelliten 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 störende Schwingungen verursachen Störungen an der Antenne oder Schwingungen in der Einrichtung und beeinträch­ tigen damit deren normale Funktion.

Ein weiteres Beispiel ist die Übertragung von Schwingungen von schweren Ma­ schinen, wie zum Beispiel Schiffsmaschinen, über mit ihnen verbundene Leitun­ gen.

Verschiedene Veröffentlichungen befassen sich mit der Löschung von Querwellen in Stangen unter Verwendung von Vielfach-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 Flexural Vibrations", J. Sound and Vib. 114 (2), 1987, Seiten 253-270.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung ist bekannt (JP 60-211 515 A). Diese Vorrichtung ist an einem langgestreckten Glied, einem Balken, angeordnet. Sie enthält einen etwa in der Mitte des Balkens auf ihn aufgesetzten Beschleuni­ gungsmesser. Bei Schwingungen des Balkens mißt er Beschleunigungswerte. Diese werden unter Beachtung des Vorzeichens integriert. Aus dem Integral wird eine Steuerspannung gebildet. Diese wird auf einen Spannungsgenerator gege­ ben. Über einen Kraftverstärker steuert dieser einen Betätiger an. Dieser sitzt am freien Ende des Balkens auf diesem auf. Er erzeugt Schwingungen, die den dem Balken von außen aufgezwungenden Schwingungen entgegengesetzt sind. Damit werden diese herabgesetzt oder gedämpft. Diese bekannte Vorrichtung erfaßt nur Längsschwingungen und kann nur solche herabsetzen oder dämpfen.

Bekannt ist noch eine weitere Vorrichtung zum Dämpfen von Längsschwingungen in einem Balken (US-PS 4 817 768). Am Balken ist unter 90° zu diesem verlau­ fend ein Stab befestigt. Zwischen diesem Stab und einem Ende des Balkens sind Seile gespannt. In diesen Seilen liegen Sensoren oder Spannungsmesser und Betätiger oder Spannvorrichtungen. Bei Längsschwingungen des Balkens spre­ chen die Spannungsmesser an. Sie geben ein Signal auf die Spannvorrichtungen. Diese spannen den Balken gegensinnig zu den ihm von außen aufgezwungenen Schwingungen. Dadurch werden diese gedämpft.

Der Erfindung liegt die Ausbildung einer Schwingungssteuervorrichtung zugrun­ de, mit der auch das Fortpflanzen von Drehschwingungen verhindert und diese gedämpft werden können. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung ergibt sich die Lösung für diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß der Betätiger sechs in einem geschlossenen Zickzack um das langgestreckte Glied herum angeordnete konstriktive Elemente umfaßt und der elektronische Regler auf die Sensormittel anspricht zum Antreiben der konstriktiven Elemente zum Er­ zeugen einer Gegenwirkung gegenüber sowohl den Längs- als auch den Dreh­ schwingungen in dem langgestreckten Glied.

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

Weiter bedeutet Schwingungsquelle jede Quelle, wobei Schwingungen durch Längs- oder Drehbewegung oder Verdichtung entstehen können.

Das Sensormittel weist zweckmäßig mehrere Sensoren zum Feststellen der Schwingungen in dem langgestreckten Glied auf. Vorzugsweise ist das oder jedes konstruktive Element zwischen zwei Flanschen auf dem langgestreckten Glied verbunden, und die Flansche dieses Paares liegen an den jeweiligen Enden des Abschnittes an. Das oder jedes konstruktive Element umfaßt zweckmäßig einen elektrodynamischen, piezoelektrischen, hydraulischen oder magnetostriktiven Be­ tätiger, der seine Länge nach Maßgabe eines Regelsignals vom Regler ändert.

Unter dem Ausdruck "konstriktives Element" wird hier ein Betätigungsorgan ver­ standen, dessen Länge sich in steuerbarer Weise ändern läßt.

Beispiele solcher Betätigungsorgane sind die vorstehend genannten elektrodyna­ mischen, piezoelektrischen, hydraulischen und magnetostriktiven Betätigungsor­ gane. In jedem Fall erhöht oder verringert das Betätigungsorgan seine Länge nach Maßgabe eines Steuersignales.

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

Falls, zum Beispiel eine Stange mit einer endlichen Länge 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.

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 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 A1 bis A3 und die auf dem anderen Flansch sind mit B1 bis B3 be­ zeichnet. Die konstriktiven Elemente werden dann wie folgt be­ festigt:

zwischen A1 und B1
zwischen A1 und B3
zwischen A2 und B1
zwischen A2 und B2
zwischen A3 und B2
zwischen A2 und B3

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 (4)

1. Aktive Schwingungssteuervorrichtung zum Verhindern der Fortpflanzung von Schwingungen entlang eines langgestreckten Gliedes, bestehend aus:
einem an einem langgestreckten Glied entlang von an diesem in Längsrich­ tung auseinanderliegenden Stellen befestigten Betätiger,
Sensormitteln zum Feststellen von Schwingungen in dem langgestreckten Glied und
einem auf die Sensormittel ansprechenden elektronischen Regler zum An­ treiben des Betätigers, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätiger sechs in einem geschlossenen Zickzack um das langge­ streckte Glied (2) herum angeordnete konstriktive Elemente (3) umfaßt und der elektronische Regler auf die Sensormittel anspricht zum Antreiben der kon­ striktiven Elemente (3) zum Erzeugen einer Gegenwirkung gegenüber sowohl den Längs- als auch den Drehschwingungen in dem langgestreckten Glied (2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Sensormittel mehrere Sensoren zum Feststellen der Schwingungen in dem langgestreckten Glied aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes konstriktive Element (3) zwischen zwei Flanschen (1) auf dem langge­ streckten Glied (2) verbunden ist und die Flansche (1) dieses Paares an den jeweiligen Enden des Abschnittes liegen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes konstriktive Element (3) einen elektrodynamischen, piezoelekt­ rischen, hydraulischen oder magnetostriktiven Betätiger umfaßt, der seine Länge nach Maßgabe eines Regelsignales vom Regler ändert.