DE4407748C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Auslöschen einer Rotationsunwucht - Google Patents

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 Kraftgenerator 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 Ver­ fahren zum Auslöschen der Fortpflanzung von Vibration von ei­ nem dynamisch unausgewuchtetem Drehrotor, wie einem Motor, durch eine Tragstruktur bereitzustellen.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8.

Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden im folgenden an­ hand der Beschreibung, der Zeichnungen und der Ansprüche er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Jet-Motors, der durch einen Holm unterhalb eines Flugzeugflügels ge­ tragen ist.

Fig. 2 einen fragmentarischen Querschnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1 zum Darstellung von drei Paaren von ex­ zentrischen, 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, Bereiche 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 individuellen 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, dargestellt 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 vorauslaufenden 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 Kraftvektors und zur Erzeugung eines oszillierenden Kräftepaares mit:
einer Vielzahl von nicht-konzentrischen, exzentrischen Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F), welche zusammen mit gleicher Winkelgeschwindigkeit rotieren;
einer Einrichtung (24A, 24B, 24C, 24D, 24E, 24F) zur individuellen Steuerung der Winkelposition einer jeden Masse;
wobei die Vielzahl der Massen ein erstes Massenpaar aufweist, deren relative Winkelposition 180° beträgt; und
wobei die Vielzahl der Massen ein zweites Massenpaar aufweist, deren relative Winkelposition zur Erzeugung eines drehenden Kraftvektors mit justierbarer Amplitude gesteuert ist, wodurch durch selektive Steuerung der Winkelposition einer jeden exzentrischen Masse der Vorrichtung ein erwünschter drehender Kraftvektor und ein erwünschtes und oszillierendes Kräftepaar erzeugbar ist.

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 der Massen wenigstens sechs Massen aufweisen.

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 Verhindern der Ausbreitung einer Vibration von einem dynamisch unausgewuchteten, drehenden Rotor, der auf eine Tragstruktur mit einem drehenden Kraftvektor und einem oszillierenden Kräftepaar einwirkt, mit den folgenden Schritten:
Montieren einer Vielzahl von nicht-konzentrischen, drehbaren exzentrischen Massen (22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F) an der Tragstruktur;
Drehen einer jeden der exzentrischen Massen mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wie der Rotor; und
Steuerung der Winkelposition einer jeden der Massen relativ zur Winkelposition des Rotors, wodurch ein entgegenwirkender drehender Kraftvektor und ein entgegenwirkendes oszillierendes Kräftepaar an der Tragstruktur erzeugbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Steuerung der Winkelposition die folgenden Schritte aufweist:
Aufrechterhalten einer um 180° beabstandeten relativen Winkelposition der Massen eines ersten Massenpaares der Vielzahl von Massen; und
Steuerung der relativen Winkelposition der Massen eines zweiten Massenpaares der Vielzahl von Massen zur Erzeugung eines solchen amplitudenjustierbaren Gegenkraftvektors und zur Erzeugung eines solchen variablen entgegenwirkenden Kräftepaares.

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.