DE4407748A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auslöschen einer Rotationsunwucht - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Auslöschen einer RotationsunwuchtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Kraft- und
Kräftepaar- bzw. Kraftmomentgeneratoren und insbesondere
einen verbesserten Drehkraft- und Kraftmomentgenerator und
ein verbessertes Verfahren zur Verhinderung der Ausbreitung
von Vibration durch einen dynamisch unausgewuchteten,
drehenden Rotor über eine Tragstruktur.
Heutzutage verwendet man bei der Unterdrückung von Vibration
eines Flugzeugs mit Turbofan-Motor hydraulisch betriebene
Linearkraftmotoren mit Schwingmassen, welche orthogonal zur
Holm-Scheidewand des Motors angeordnet sind, welche die hin
tere Motoraufhängung trägt. Diese Technik hat sich als
effektiv erwiesen und hat das Potential zur Verminderung von
Kräften bei vielen Frequenzen. Allerdings haben sich Proble
me eingestellt hinsichtlich der Wellenformwiedergabe, d. h.,
der Erzeugung von unerwünschten harmonischen Schwingungen.
Weiterhin wird bei der vorangehenden beschriebenen Form eine
erhebliche Menge hydraulischer Energie gebraucht.
Weiterhin ist die Verwendung von verzahnten gegendrehenden
exzentrischen Massen bekannt, um eine oszillatorische Kraft
zu erzeugen. Diese Art von Vorrichtung ist beispielsweise
bei Geräten, wie einem Schüttelförderer oder Vibrations
testern, verwendet worden. Schließlich sind justierbare
Differentialgetriebe verwendet worden, um die Phasenbe
ziehung von zwei summierten oszillatorischen Kräften zu
variieren, wodurch die effektive Amplitude der resultieren
den Kraft gesteuert wird. In der US-A-5,005,439 ist eine
Fortentwicklung dieser Art von Vorrichtung kombiniert mit
bekannten Motorsteuertechniken offenbart. Vier unabhängig
gesteuerte konzentrische, coplanar verschachtelte rotierende
Massen erzeugen eine amplitudenvariable, winkeljustierbare
Oszillationskraft an einem einzigen Punkt. Ein Kraftgenera
tor mit rotierender exzentrischer Masse hat die grundlegen
den Vorteile, daß er eine reine Sinusquelle ist, trotz der
einzigen Frequenz, und nur soviel Energie verbraucht, um die
Lagerreibung zu überwinden. Auf diese Weise ist ein elektri
scher Motorantrieb praktikabel. Allerdings ist die Vorrich
tung nach US-A-5,005,439 mechanisch komplex und schwierig
unterzubringen. Während die erzeugte Kraft äquivalent zu
einem Paar von orthogonalen, hydraulischen Linearkraft
generatoren ist, die an einem einzigen Punkt wirken, kann
davon ausgegangen werden, daß das erwünschte Gegenvibra
tionsmuster zur Auslöschung der Motorvibrationen notwen
digerweise komplexer ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor
richtung zur Erzeugung eines drehenden Kraftgenerators und
eines oszillatorischen Kräftemoments bereitzustellen. Die
Vorrichtung weist eine Vielzahl von nicht-konzentrischen,
exzentrischen Massen auf, die zusammen mit der gleichen
Winkelgeschwindigkeit rotieren und Einrichtungen zur
individuellen Steuerung der Winkelstellung einer jeden
Masse, wobei durch selektive Steuerung der Winkelposition
einer jeder exzentrischen Masse, die Vorrichtung einen
erwünschten, drehenden Kraftvektor und ein erwünschtes
oszillatorisches Kräftemoment erzeugen kann.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung ein verbessertes Ver
fahren zum Auslöschen einer Fortpflanzung von Vibration von
einem dynamisch unausgewuchtetem Drehrotor durch eine Trag
struktur bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte aufweist: Anbringen einer Vielzahl von nicht-kon
zentrischen, drehbaren exzentrischen Massen an der Trag
struktur; Drehen einer jeden der exzentrischen Masse mit der
gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Rotor; und Steuern
der Winkelposition einer jeden der Masse relativ zur Winkel
position des Rotors, wodurch ein Muster von drehenden Träg
heitskräften zum Auslöschen der Übertragung von Vibration
vom Rotor durch die Tragstruktur erzeugt wird.
Demgemäß ist es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, eine
verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines drehenden Kraft
vektors und eines oszillatorischen Kräftemoments bereitzu
stellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes
Verfahren zum Auslöschen der Fortpflanzung von Vibration von
einem dynamisch unausgewuchtetem Drehrotor, wie einem Motor,
durch eine Tragstruktur bereitzustellen.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden im folgenden
anhand der Beschreibung, der Zeichnungen und der Ansprüche
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Jet-Motors, der
durch einen Holm unterhalb eines Flugzeugflügels
getragen ist.
Fig. 2 einen fragmentarischen Querschnitt entlang der Linie
2-2 aus Fig. 1 zum Darstellung von drei Paaren von
exzentrischen, zusammendrehenden Massen, welche an
dem Holm montiert sind;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Unwucht
vibrationsunterdrückers eines Turboproppropellers
mit der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 eine schematische Vorderansicht der Vorrichtung nach
Fig. 3.
Am Anfang sei angemerkt, daß gleiche Bezugszeichen die glei
chen strukturellen Elemente, Bereiche oder Oberflächen kon
sistent in allen Figuren darstellen. Solche Elemente, Be
reiche oder Oberflächen werden weiterhin beschrieben oder
erläutert aufgrund der gesamten geschriebenen Beschreibung,
von der die detaillierte Beschreibung ein integraler Be
standteil ist. Wenn nicht anders angegeben, sollen die
Zeichnungen zusammen mit der Beschreibung, d. h. Anordnung
von Teilen, Aufbau usw. betrachtet werden und soll als Teil
der gesamten geschriebenen Beschreibung dieser Erfindung
angesehen werden. Die in der folgenden Beschreibung ver
wendeten Ausdrücke wie "horizontal", "vertikal", "links",
"rechts", "oben" und "unten" wie auch adverbiale oder andere
Abkömmlinge davon beziehen sich einfach auf die Orientierung
der dargestellten Struktur, wie sie dem Betrachter der spe
ziellen Zeichnungsstruktur gegenübersteht. Wenn es nicht an
ders angegeben ist, betreffen Ausdrücke wie "einwärts" und
"auswärts" die Orientierung einer Fläche relativ entspre
chend zu einer Längsachse, einer Achse oder Drehung.
Gemäß Fig. 1 stellt die Erfindung eine verbesserte Vorrich
tung zur selektiven Erzeugung eines drehenden Kraftvektors
und eines oszillatorischen Kräftemoments bereit. Der prin
zipielle Nutzen dieser Vorrichtung ist, daß die Fortpflan
zung von Vibrationen unterdrückt wird, die typischerweise
einem drehenden, unausgewuchteten Kraftvektor von einer
Struktur auf die andere zugeschrieben werden.
In Fig. 1 ist ein Flugzeugmotor 10 unterhalb einer Trägflä
che 11 durch einen Holm 12 getragen ist. Der Holm weist vier
beabstandete hakenähnliche Verbindungen 13A, 13B, 13C und
13D zur Tragfläche auf und weist weiter vordere und hintere
Verbindungen 14 und 15 zum Motor auf. Eine Unwucht des Ven
tilatorbereichs des Motors erzeugt einen drehenden Kraftvek
tor 16. Dieser Vektor dreht sich mit der Winkelgeschwindig
keit des Motors um dessen longitudinale Achse (x-x). Ist die
vordere Aufhängung 14 benachbart zum Schwerpunkt des Motors
angeordnet, erzeugt der Störvektor 16 einen signifikanten,
gegengerichteten, drehenden Vektor 18 benachbart zur hinte
ren Aufhängung. Die Größe des hinteren Vektors 18 ist eine
Funktion des Vektors 16 und des Verhältnisses der axialen
Abstände der Vektoren 16 und 18 vom Schwerpunkt. Wird der
hintere Vektor 18 nicht unterdrückt, wird er durch den Holm
auf die Tragfläche übertragen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Form der Vorrichtung 19, die
auf einer rückwärtigen vertikalen Oberfläche 20 des Holms 12
angeordnet ist, um passende Kräfte zur Aufhebung der Fort
pflanzung einer Vibration vom Motor durch den Holm auf die
Tragfläche zu erzeugen. Der drehende Kraftvektor 18 erzeugt
Reaktionskräfte an den Tragflächenbefestigungshaken 13A und
13B, die als äquivalenter, drehender Vektor mit einem oszil
lierenden Kräftemoment erscheinen. Um diese Kräfte effektiv
zu unterdrücken, ist es notwendig eine Vorrichtung bereitzu
stellen, die ein äquivalentes Kraftmuster an den Tragflä
chenbefestigungshaken erzeugt. Ein einzelner oszillierender
Vektor, wie er durch ein Paar von orthogonalen Linearvibra
toren oder den Mechanismus nach US-A-5,005,439 erzeugt
würde, könnte ein solches äquivalentes Kraftmuster nicht er
zeugen. Das zum Unterdrücken auf Oberfläche 20 wirkende
Kraftmuster, weist die Form eines drehenden Vektors und
eines oszillierenden Kräftepaares auf.
Die vorliegende Erfindung stellt einen neuen Mechanismus zur
Verfügung, um ein solches dynamisches Kraftmuster zu erzeu
gen. Die verbesserte Vorrichtung weist sechs identische Mo
dule oder Einheiten 21 auf, die in Gruppen von drei Paaren
angeordnet werden können. Die Module des oberen horizontal
beabstandeten Paares sind gekennzeichnet durch 21A und 21B,
die Module des mittleren horizontal beabstandeten Paares
sind gekennzeichnet durch 21C und 21D und die Module des un
teren vertikal beabstandeten Paares sind gekennzeichnet
durch 21D und 21F. Jedes Modul oder Einheit weist eine
exzentrische Masse 22, einen Motor 23 (Fig. 3), welcher zur
Drehung der zugehörigen Masse in der gleichen Richtung und
mit gleicher Geschwindigkeit wie der Motor angeordnet ist,
und eine Einrichtung 24 (d. h., einen Auflöser) zur individu
ellen Bestimmung und Steuerung der Winkelposition der zuge
hörigen Masse relativ zur Winkelposition des Motors auf.
Die zwei exzentrischen Massen des oberen horizontalen Paares
21A und 21D sind 180° relativ zueinander angeordnet und er
zeugen zusammen ein oszillatorisches Kräftepaar mit konstan
ter Amplitude bei jeder gegebenen Frequenz, da ihre horizon
talen Komponenten sich immer auslöschen. Die Rotore des
mittleren horizontalen Paares 21C und 21D sind ähnlich unter
180° relativ zueinander angeordnet. Allerdings weisen sie
einen variablen Phasenwinkel relativ zu den Massen des er
sten Paares auf. Die Summe dieses außer Phase befindlichen
Kräftepaares ist ein amplitudensteuerbares Oszillationskräf
tepaar 21X. Das untere vertikale Paar 21E und 21F erzeugt
einen Drehvektor, dagestellt bei 21Y, mit variierender Größe
abhängig von der relativen Phase der Massen dieses Paares
zuzüglich eines kleinen oszillatorischen Kräftepaares 21Z,
da ihre Massen nicht konzentrisch sind. Allerdings kann die
ses unerwünschte Kräftepaar dadurch kompensiert werden, daß
die relativen Phasen der beiden horizontalen Paare justiert
werden.
Die durch diese Anordnung erzeugten Kräfte können zum Erzie
len einer Vibrationsunterdrückung durch verschiedene be
kannte adaptive Steuertechniken gesteuert werden, wie sie
dargestellt und beschrieben sind in der US-A-4,819,182. Be
schleunigungsmesser 25 nach Fig. 2 und gekennzeichnet durch
B, C usw., messen die Amplitude und Phase der strukturellen
Vibration der Hakenbefestigung von Holm/Tragfläche (oder in
nerhalb der Flugzeugkabine) und können zur optimalen Justie
rung von vier Rotationsmassen-Steuerparametern verwendet
werden, nämlich der absoluten Phase jeder der exzentrischen
Massen 21E und 21F und des exzentrischen Massenpaares 21A,
21B.
Das oben beschriebene, allgemeine Verfahren kann in einem
besonderen Fall vereinfacht werden, wenn der unausgewuchtete
Hauptkraftvektor sich in einer einzigen Ebene dreht und wenn
es praktisch ist, vier konzentrische Module nahe dieser
Ebene als diametral gegenüberliegende Paare, die um die
Achse des unausgewuchteten Rotors angeordnet sind, zu mon
tieren. Ein Beispiel dafür ist eine Propellerunwucht bei ei
ner Turbopropmotorinstallation, bei der die exzentrischen
Gewichtsrotore gebündelt um das Propellerantriebsgetriebege
häuse nahe zur Ebene des Propellers angeordnet werden kön
nen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Ein
Turbinenmotor 26 dreht eine Ausgangswelle 28 über einen Zwi
schengetriebegehäuse 29. In Fig. 3 und 4 umgeben dieses Ge
triebegehäuse 4 Module, die konzentrisch zur Achse der Welle
28 angeordnet sind. Diese Module 30 sind einzeln durch A, B,
C und D entsprechend gekennzeichnet. Die Module sind in dia
mentral gegenüberliegenden Paaren angeordnet, wobei Module
30A und 30B ein Paar und Module 30C und 30D das andere Paar
bilden. Die exzentrischen Massen in jedem Paar drehen sich
in Phase zueinander. Der aufsummierte, parallele Kraftvektor
erzeugt durch Rotore 30A und 30B kann so betrachtet werden,
als wenn er auf die Wellenachse einwirkt und kann mit ähnli
chen durch die Rotore 30C und 30D erzeugten Kräften summiert
werden. Die Phasenwinkel von diesen sind justierbar, um ei
nen rotierenden Summenvektor 32 zu bilden, der grade den un
ausgewuchteten, rotierenden Kraftvektor 31 ausgleicht.
Als Kontrollparameter können die absoluten Phasenwinkel der
summierten Kraftvektoren und die voraus laufenden und zurück
bleibenden relativen Phasenwinkel der Komponenten betrachtet
werden, die die Größe dieser Summe festlegen. Diese beiden
Variablen sind direkt steuerbar, um ein Aufheben der Unwucht
31 durch Messen von Amplitude und Phase des Ausgangssignals
eines einzigen passend angeordneten Beschleunigungsmessers
(nicht dargestellt) zu erzeugen, wobei der Beschleunigungs
messer die Radialvibration des Motors an einem beliebig aus
gewählten Winkel mißt, wobei angenommen ist, daß die hori
zontalen und vertikalen Effekte einer Unwucht kraft eines
Drehvektors identisch sind.
Folglich ergibt sich aufgrund der verbesserten Vorrichtung
bei Verwendung ein verbessertes Verfahren zum Auslöschen der
Fortpflanzung von Vibration von einem dynamisch unausgewuch
teten Drehrotor (d. h., der Turbine eines Motors) durch eine
Tragstruktur (d. h., einen Holm) mit den folgenden Schritten:
Montieren einer Vielzahl von nicht-konzentrischen, drehbaren
exzentrischen Massen an der Tragstruktur; Zusammendrehen ei
ner jeden der konzentrischen Masse mit der gleichen Winkel
geschwindigkeit wie der Rotor; und Steuern der Winkelpositi
on einer jeden der Massen relativ zur Winkelposition des Ro
tors, wodurch ein Muster von drehenden Trägheitskräften er
zeugt wird, um der Fortpflanzung von Vibration vom Rotor
durch die Tragstruktur entgegenzuwirken.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen der vorliegenden
Erfindung sind möglich. Beispielsweise, während gegenwärtig
eine Drehung der exzentrischen Masse durch einen elektri
schen Motor bevorzugt ist, können andere Typen von Motoren
diesen ersetzen. Wenn auch die Winkelposition der verschie
denen exzentrischen Massen bestimmt und überwacht werden
durch Auflöser, sind andere Typen von Mechanismen statt die
sen verwendbar.
Folglich, auch wenn zwei bevorzugte Ausführungsformen der
verbesserten Vorrichtung vorangehend dargestellt und be
schrieben wurden und verschiedene Modifikationen davon dis
kutiert wurden, sind verschiedene zusätzliche Änderungen und
Modifikationen für einen Fachmann innerhalb des Schutzum
fangs der Erfindung denkbar.
Claims (11)
1. Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines drehenden Kraftvek
tors und zur Erzeugung eines oszillatorischen Kräfte
paares mit:
einer Vielzahl von nicht-konzentrischen, exzentrischen Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F), welche zusammen mit gleicher Winkelgeschwindigkeit rotieren; und
einer Einrichtung (24A, 24B, 24C, 24D, 24E, 24F) zur indivi duellen Steuerung der Winkelposition einer jeden Masse, wobei durch selektive Steuerung der Winkelposition einer jeden exzentrischen Masse ein erwünschter drehender Kraftvektor und ein erwünschtes oszillatorisches Kräfte paar erzeugbar sind.
einer Vielzahl von nicht-konzentrischen, exzentrischen Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F), welche zusammen mit gleicher Winkelgeschwindigkeit rotieren; und
einer Einrichtung (24A, 24B, 24C, 24D, 24E, 24F) zur indivi duellen Steuerung der Winkelposition einer jeden Masse, wobei durch selektive Steuerung der Winkelposition einer jeden exzentrischen Masse ein erwünschter drehender Kraftvektor und ein erwünschtes oszillatorisches Kräfte paar erzeugbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F) im wesentlichen
coplanar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F) zum Zusammendrehen
um im wesentlichen parallele Achsen angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vielzahl von Massen wenigstens vier Massen aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Massen-Exzentrizität der Massen (22A, 22B, 22C, 22D,
22E, 22F) im wesentlichen gleich ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
entweder die Masse oder ihre Entfernung vom Rotations
zentrum im wesentlichen gleich ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
jede der Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F), durch einen
elektrischen Motor (23) drehbar ist.
8. Verfahren zum Auflösen der Fortpflanzung einer Vibration
von einem dynamisch-unausgewuchteten drehenden Rotor
durch eine Tragstruktur mit den folgenden Schritten:
Montieren einer Vielzahl von nicht-konzentrischen, dreh baren exzentrischen Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F) an der Tragstruktur;
Zusammendrehen jeder der exzentrischen Massen mit glei cher Winkelgeschwindigkeit wie der Rotor; und
Steuern der Winkelposition einer jeden der Massen rela tiv zur Winkelposition des Rotors;
um ein Muster von drehenden Trägheitskräften zu erzeu gen, welches der Fortpflanzung der Vibration vom Rotor durch die Transportstruktur entgegenwirkt.
Montieren einer Vielzahl von nicht-konzentrischen, dreh baren exzentrischen Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F) an der Tragstruktur;
Zusammendrehen jeder der exzentrischen Massen mit glei cher Winkelgeschwindigkeit wie der Rotor; und
Steuern der Winkelposition einer jeden der Massen rela tiv zur Winkelposition des Rotors;
um ein Muster von drehenden Trägheitskräften zu erzeu gen, welches der Fortpflanzung der Vibration vom Rotor durch die Transportstruktur entgegenwirkt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor auf die Transportstruktur mit einem drehenden
Kraftvektor und einem oszillatorischen Kräftepaar ein
wirkt, wobei das Muster der drehenden Kräfte einen ent
gegenwirkenden drehenden Kraftvektor und ein entgegen
wirkendes Kräftepaar erzeugt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vielzahl von Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F) in
diamentral gegenüberliegenden Paaren um eine Achse des
Rotors angeordnet sind, so daß die Vektorsumme der dre
henden Kräfte erzeugt durch jedes Paar durch einen ein
zigen drehenden Kraftvektor konzentrisch zum Rotor dar
stellbar ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das effektive Massenzentrum eines jeden Paares mit der
Drehachse des Rotors zusammenfällt.
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