DE60205370T2

DE60205370T2 - Schwingungstilger

Info

Publication number: DE60205370T2
Application number: DE60205370T
Authority: DE
Inventors: Mathieu Noe
Original assignee: Hutchinson SA
Current assignee: Hutchinson SA
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004521290A; ES2247353T3; FR2825769B1; CN1463338A; EP1392987A1; CA2416010A1; US20030173725A1; EP1392987B1; WO2002099309A1; CN1250889C; DE60205370D1; ATE301254T1; DK1392987T3; FR2825769A1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung als Gegenstand.
In der Industrie werden dynamische Dämpfer zur Vermeidung der Ausbreitung von Schwingungen in einem gegebenen Aufbau verwendet.
Sie basieren im Wesentlichen auf Feder-Masse-Systemen, solche wie in dem Dokument DE-A-195 17 630 dargestellt sind.
Bei bestimmten Anwendungen, besonders in der Luftfahrt, und insbesondere im Fall von Hubschraubern, ist es wünschenswert, dass die Leistungseigenschaften der Dämpfer abhängig von den verschiedenen Fluglagen angepasst werden können, und dass dieses mit Hilfe einer Betätigung bzw. Regelung erfolgt, welche die Eigenschaften des Dämpfers so wenig wie möglich abhängig von Druck-, Temperatur- und/oder Luftfeuchtigkeitsbedingungen macht.
Gemäß einer ersten Aufgabe zielt die Erfindung auf die Lösung dieses Problems, wobei die Grundidee darin besteht, einen elektrodynamischen Motor einzusetzen, dessen Dämpfung variabel ist.
Die Erfindung betrifft so eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung mit einer Umwandlungseinrichtung von mechanischer Energie in elektrische Energie, welche auf einer auf einem Aufbau befestigbaren Fußplatte montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung einen elektrodynamischen Antrieb mit einer Spule, die mechanisch mit der Fußplatte verbunden ist, und einen magnetischen Kreis aufweist, der durch mindestens eine Feder aufgehängt ist, und dass die Spule mit einer elektrischen Last mit einer ohmschen Komponente gekoppelt ist und eine Steuereinrichtung zur Veränderung der ohmschen Komponente gemäß zumindest zwei Werten aufweist.
Der erste Steuerwert kann zu einer ersten Dämpfung (zum Beispiel, indem die Spule als ein offener Stromkreis verbleibt) und der zweite Steuerwert zu einer bedeutenderen Dämpfung korrespondieren (zum Beispiel, indem die Spule kurzgeschlossen ist).
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung in einem Luftfahrzeug, insbesondere ein Hubschrauber, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Flugrechners bzw. -computers eine Betätigung der Steuereinrichtung gemäß dem ersten Steuerwert erfolgt, wenn das Luftfahrzeug sich in einem statischen Flug befindet, und gemäß dem zweiten Steuerwert erfolgt, wenn sich das Luftfahrzeug in einem Kursänderungszustand befindet.
Die Verwendung von dynamischen Dämpfern bringt auch das Problem mit sich, dass die Funktion nur in eine Richtung erfolgt, welches diese der Symmetrieachse des Systems ist.
Das gestellte Problem ist somit die Tatsache, Verstellungen bzw. Verschiebungen längs dieser Achse nur zur Vermeidung von solchen Nachteilen wie Schwingungen, Störungen, Reibungen, sogar Zerstörung der Spule zu gewährleisten.
Die Grundidee, welche darin besteht, eine Feder oder mehrere mit geeigneter Zentrierung einzusetzen, wird durch eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung mit einer Energieumwandlungseinrichtung realisiert, die auf einer auf einem Aufbau befestigbaren Fußplatte montiert ist, wobei die Umwandlungseinrichtung für Energie einen beweglichen Abschnitt aufweist, der durch zumindest eine Feder aufgehängt ist, wobei der bewegliche Abschnitt zumindest eine flache Zentrierfeder aufweist, welche sich zwischen einem inneren Bereich mit einem ersten Durchmesser und einem äußeren Bereich mit einem zweiten Durchmesser erstreckt, wobei die Zentrierfeder mindestens zwei Teilstücke aufweist, von denen jeder einen Zweig mit zumindest einem Teilabschnitt aufweist, der seine Austiefung zur Außenseite der Feder hin wendet.
Mindestens ein Teilstück kann zumindest teilweise in Spiralform, beispielsweise in parabelförmiger Spirale, ausgebildet sein.
Zumindest ein Teilstück kann einen äußeren geraden Teilabschnitt aufweisen.
Jedes Teilstück beträgt vorteilhafterweise zwischen 1 und 1,5 Umläufe des Federumfangs.
Die Anzahl der Teilstücke kann 3 und vorzugsweise 4 betragen, und in diesem letzten Fall erstreckt sich jedes Teilstück vorzugsweise auf im Wesentlichen einem Umlauf des Federumfangs.
Es ist insbesondere vorteilhaft, dass eine Zentrierfeder aus einem Stapel von flachen Federn besteht, insbesondere zur Bildung eines geschichteten Aufbaus. Tatsächlich verringern sich axiale Steife und maximal erreichte Beanspruchung mit der Zahl von gestapelten Schichten, was es insbesondere gestattet, den Zusammenhang zwischen axialer Steife und radialer Steife der Zentrierfeder anzupassen. Außerdem verringert sich die maximale erreichte Beanspruchung mit der Stärke bzw. Dicke jeder Schicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Lektüre der folgenden Beschreibung besser verständlich, welche in Verbindung mit den Zeichnungen beispielhaft, aber nicht einschränkend, erfolgt. Hierbei zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2a und 2b jeweils eine perspektivische und geschnittene Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Ausführung einer Zentrierfeder („Spider") mit vier Zweigen; und
4 eine Ausführung einer Zentrierfeder („Spider") mit drei Zweigen
Der in 1 dargestellte Dämpfer weist eine Fußplatte 1 mit einer planen Fläche 2 auf, die zur Befestigung an einem zu dämpfenden Aufbau vorgesehen ist. Mit dieser Fußplatte 1 steht eine Spule 20 in fester Verbindung. Zu diesem Zweck trägt ein Schaft bzw. ein Bolzen 23 an seinen beiden Enden zwei Flansche 3 und 24, von denen der eine mit Bezugszeichen 3 mit der Fußplatte 1 in fester Verbindung steht, und der andere mit Bezugszeichen 24 die Spule 20 trägt. Der bewegliche Abschnitt, welcher ein oberes Polstück 11, ein unteres Polstück 12 und einen Magnet 10 aufweist, ist auf einer Feder 22 befestigt und durch zwei Zentrierfedern, eine obere 31 und eine untere 32 zentriert, welche auf einem Gehäuse oder Korb 40 angebracht sind.
Es ist anzumerken, dass auf der Höhe der Spule 20 die Dichtigkeit durch das gewellte Gewebe 26 hergestellt ist, das von dem auf dem Polstück 11 montierten flachen Ring 26 getragen wird.
Die Anordnung bildet einen elektrodynamischen Motor, dessen Spule in Bezug auf die Fußplatte 1 feststeht, und dessen beweglicher Abschnitt eine Masse M_b ist, die im Wesentlichen aus dem magnetischen Kreis gebildet ist, das heißt, aus den Polstücken 11 und 12 und dem Magnet 10.
Eine Steuerschaltung ermöglicht es, den Wert einer an den Anschlussklemmen der Spule 20 aufgebrachten bzw. angeschlossenen Widerstandslast zu verändern. Es handelt sich um einen veränderlichen Widerstand, zum Beispiel ein Varistor, dessen Wert abhängig von einer elektrischen Spannung ist, bzw. um einen Rheostat, der von der Steuereinrichtung steuerbar ist. Auf diese Weise kann die Dämpfung zwischen zwei Extremen variiert werden, nämlich eine sehr schwache Dämpfung, indem die Spule 20 in offener Schaltung bzw. im offenen Kreis gelassen wird, oder eine maximale Dämpfung, indem die Spule 20 kurzgeschlossen wird, wobei der Lastwiderstand dann gleich dem ohmschen Eigenwiderstandsanteil Ro der Spule 20 ist.
Es kann ein Wert eines sehr hohen Lastwiderstands R₁ für eine erste, relativ schwache Dämpfung und eines geringeren R₂ für eine bedeutendere Dämpfung ausgewählt werden.
Eine relativ schwache oder minimale Dämpfung entspricht insbesondere einem Luftfahrzeug im statischen Flug, für welches die Schwingungen in einem Beharrungszustand sind, wozu dem Dämpfer eine maximale Wirkung verliehen wird, während eine bedeutendere Dämpfung bei einer Kursänderung ausgewählt werden kann, um die Einschwingvorgänge bzw. Transienten zu vermeiden, welche dazu fähig sind, den Dämpfer zu destabilisieren und/oder die Vibrationshöhe in der Kabine wieder anzuheben.
Wenn der Dämpfer in Betrieb ist, existiert eine Relativbewegung zwischen dem magnetischen Kreis der Masse M_b und der Fußplatte 1. Die Spule 20 verhält sich damit als ein Generator einer elektromotorischen Kraft E_b = BLv, wobei BL den Faktor der Kraft des elektrodynamischen Motors (in N/A) und v die Relativgeschwindigkeit zwischen dem magnetischen Kreis der Masse M_b und der Fußplatte 1 bezeichnet.
Die Spule 20 von elektrischer Unabhängigkeit Z_b wird an eine bekannte Last Z_c angeschlossen. Zwischen der Spule und dem magnetischen Kreis M_b stellt sich eine Kraft F_a ein, welche entgegengesetzt zu v ist (gemäß der Lenz'schen Regel) und wie folgt ausgedrückt wird:
Wir haben den Nachweis des Ausdrucks einer Dämpfungskraft geführt.
Wenn vorausgesetzt wird, dass die Last aus einem Rheostat besteht (regelbarer Widerstand), kann dann der Dämpfungskoeffizient C_b (C_b = F_a/v) zwischen zwei Extremwerten verändert werden.
Um ein maximales C_b zu erhalten:

– kann ein elektrodynamischer Motor gewählt werden, dessen Eigenschaften es gestatten, die Beziehung (BL)²/Z_b zu maximieren.
– Z_c muss minimal sein (Z_c = 0, sei es ein stetiger Kurzschluss)

Um ein minimales C_b zu erhalten:

– genügt es den elektrischen Kreis zu öffnen (Z_c = ∞)

Die Frequenzabstimmung des Dämpfers ist durch die bewegliche Masse und die Anordnung der Steifigkeiten gegeben, welche diese Masse mit der Fußplatte anbinden:

1. Gesamtsteife der Zentrierfedern 31 und 32: Ks
2. Gesamtsteife der Rückholfeder(n) 22: Kr

Daraus ergibt sich die Beziehung: Mb·(2·π·F6)2 = Ks + Kr (2)
Zur Aufteilung der Steife zwischen den Rückholfedern und den Zentrierfedern 31 und 32 werden die folgenden Beanspruchungen betrachtet:

1. Die Zentrierfedern 31 und 32 werden nicht belastet, wenn die Masse M_b der einfachen Schwerkraft unterzogen wird.
2. Die Summe Ks + Kr wird fixiert, um die Beziehung (2) einzuhalten.

Die Beanspruchung Nr. 1 erzwingt, dass das statische Gewicht der Masse M_b von der (den) Feder(n) 22 wiederaufgenommen wird. Ihre Länge ohne Belastung wird somit berechnet, um diesen statischen Durchhang mit einzubeziehen, welcher sich der dynamischen Bewegung hinzufügt: je schwächer die Steife Kr ist, je größer muss die Länge ohne Belastung sein. Daher muss Kr ausreichend hoch gewählt werden, damit sich keine bestimmten Integrationsschwierigkeiten ergeben (Raumbedarf, Durchfedern der Federn bis zum Anschlag, aneinander stoßende Windungen).
In der Praxis ist es nicht möglich, dass Ks aus den hiernach aufgeführten Gründen zu einem beliebigen schwachen Wert tendiert.
Der beschriebene Dämpfer arbeitet nur in eine Richtung, welches diejenige der Symmetrieachse des Systems ist (Vertikalachse Z in der 1, welche durch die Mitte des Teils verläuft).
Es ist angebracht, eine Relativbewegung zwischen dem magnetischen Kreis der Masse M_b und der Fußplatte 1 nur längs dieser Achse zu gewährleisten, um jedes Risiko einer mechanischen Zerstörung der Spule 20 zu vermeiden.
Somit sind a priori ausgeschlossen:

– die radialen Verschiebungen bzw. Verstellungen (längs der Richtungen X und Y senkrecht zur Richtung Z)
– die Rotationen längs der Achsen X und Y

Um diese Funktion zu gewährleisten, ist die Masse M_b durch zwei Federn 31 und 32 geführt, welche beiderseits des Kreises der Masse M_b angeordnet sind. Sie stehen in ihrer Mitte mit einer Achse 23 fest in Verbindung, welche mit der Fußplatte 1 fest verbunden ist, und mit ihrem Umfang mit dem Kreis der Masse M_b.
Unter weiteren möglichen verwendeten Führungstechniken werden zitiert:

1. Die Kugelhülsen: kostenaufwändigere Lösung, benötigen eine ausgerichtete Achse. Außerdem sind die Trockenreibungseigenschaften nicht linear und vergrößern sich mit der Zeit (Verschleiß der Kontaktbereiche), was zur Folge hat, dass sich das Verhalten des Dämpfers im Verlauf seiner Lebensdauer verändert. Es würde notwendiger sein, dabei ein Verdrehschutzsystem für die Masse M_b längs der Achse Z anzufügen.
2. Polymerlager: eine Lösung, die ebenfalls eine ausgerichtete Achse erfordert. Außerdem sind die Trockenreibungseigenschaften nicht linear und vergrößern sich mit der Zeit (Verschleiß der Kontaktbereiche), was zur Folge hat, dass sich das Verhalten des Dämpfers im Verlauf seiner Lebensdauer verändert. Es würde notwendiger sein, dabei ein Verdrehschutzsystem für die Masse M_b längs der Achse Z anzufügen.

Die 3 stellt eine Zentrierfeder 31, 32 aus Metall dar, welche 4 Teilstücke 50 (oder querverlaufende Einschnitte) aufweist, welche genauso viele Zweige bilden, die regelmäßig um 90° am Umfang einer Öffnung 55 verteilt sind und sich von einem inneren Ende 53 nahe der zentralen Öffnung 55 von einem Durchmesser D_i und bis zu einem äußeren Ende 54 nahe einer äußeren Kontur 57 von einem Durchmesser D_e erstrecken. Diese Teilstücke 50 weisen ein Profil auf, welches konvex zur Außenseite der Feder hin gebogen ist, insbesondere in Gestalt einer Spirale, und bevorzugt eine parabolische Spirale.
Zu ihren Enden 54 hin weisen die Teilstücke 50 vorzugsweise einen linearen Teilabschnitt 52 auf, dessen Funktion darin besteht, Beanspruchungskonzentrationen zu verhindern, so wie es im Anschluss erläutert wird. In dem dargestellten Beispiel bilden die Zweige 50 etwas mehr als einen Umlauf des Federumfangs zwischen ihren Enden 53 und 54.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform mit 3 Zweigen, deren innere Enden 63 auf 90° auf dem Randumlauf einer zentralen Öffnung von einem Durchmesser Di verteilt sind, und die sich bis zu einem Ende 64 in die Nähe der äußeren Kontur 67 von einem Durchmesser De fortsetzen. Wie im vorhergehenden Fall ist das Profil vorzugsweise als Spirale ausgebildet, vorzugsweise parabelförmig. Es erstreckt sich auf einem etwas mehr als einem Umlauf der Feder. Ein Endteilabschnitt 62 ist vorteilhaft zur Vermeidung von Belastungskonzentrationen vorgesehen.
Die Enden 53, 54, 63, 64 sind in einem ausreichenden Abstand zu den Öffnungen 55, 56 und den jeweiligen Konturen 57, 67 angeordnet, um eine gute Einspannung der Feder ohne Belastungskonzentrationen an diesen Enden zu ermöglichen.
Es ist insbesondere von Vorteil, die Federn 31, 32 in Form eines Stapels von Federn in Gestalt eines geschichteten Aufbaus zu verwirklichen, das heißt, eines Stapels von individuellen Federn, die unter einander zum Beispiel durch Verklebung fest verbunden sind. Dieses gestattet es, die axiale Steife zu modifizieren, die sich mit der Anzahl von Schichten verringert, ebenso wie die erreichte bzw. betroffene maximale Beanspruchung.
Dieses ermöglicht es insbesondere, den Zusammenhang zwischen der axialen Steife und der radialen Steife einzustellen.
Die Vorteile der Zentrierfedern 31 und 32 sind die folgenden:

1. Kein Kontakt zwischen beweglichen Teilen: es wird keine Nichtlinearität eingeführt, keine parasitäre Reibung.
2. Einfachheit der Ausführung.

Die Ausbildung der Zentrierfedern 31 und 32 hält vorteilhafterweise eine bestimmte Anzahl von Beanspruchungen ein:

1. Axiale Steife bzw. Steifigkeit (längs Achse Z): sie muss unter einem maximalen Wert Kz = M_b·(2·π·F_b)² liegen.
2. Radiale Steife bzw. Steifigkeit (in der Ebene X, Y) längs irgendeiner radialen Richtung: sie muss ausreichend groß sein, um zu verhindern, dass die auf den Dämpfer aufgebrachten radialen Belastungen nicht zu relativen Verschiebungen zwischen der Spule und dem magnetischen Kreis durch Ausknickung der Federn dergestalt führen, dass sie zur Beschädigung der Spule führen können. Diese Eigenschaft muss ebenfalls beibehalten werden, welche Position die bewegliche Masse längs der Achse Z auch immer einnimmt. Daher müssen die Bauarten von Federn ausgeschlossen werden, welche zum Ausknicken bei maximalen Auslenkungen der beweglichen fähig sind. Die Annahme von Zentrierfedern, welche zur Außenseite hin konkave Zweige bildende Teilstücke aufweisen, gestattet es die Ausknickung zu verhindern.
3. Verhältnis Bauraum (radial)/Ausfederung der Feder auch gering wie möglich.
4. Maximale Beanspruchungen in dem Werkstoff ist derart, dass das Teil für eine sehr bedeutende Anzahl von Zyklen dimensioniert ist (> 10⁸ Zyklen). Der Zustand der maximalen Beanspruchung wird für die Scheitelpunkte der Ausfederungen erreicht

Die bevorzugte Ausführungsform setzt Teilstücke in parabelförmiger Spiralform ein (oder längs einer oder mehrerer Kreisachsen, die ein parabelförmiges Spiralprofil annähern).
Die Bauartparameter sind wie folgt:

1. Die Anzahl der Zweige (mindestens 2, bevorzugt 4).
2. Innerer Durchmesser D_i und äußerer Durchmesser D_e.
3. Dicke der Feder.
4. Anfangswinkel θ des Teilstücks (Seite innerer Durchmesser) (siehe Eingerahmtes 4). Je mehr der Wert von θ in der Nähe von 90° liegt, je progressiver ist die Variation der Beanspruchung. Wenn θ nahe 0° liegt, gibt es eine starke Änderung der Beanspruchung in der Einspannzone.
5. Ende des Teilstücks (Seite äußerer Durchmesser): das Ende läuft progressiv auf einen Werkstoffabschnitt 56, 66 hin, welcher sich praktisch auf eine dreieckige Weise aufweitet, dieses erfolgt, damit die lokalen Beanspruchungskonzentrationen auf den geringen Krümmungsradien vermieden werden. Zu diesem Zweck kann für die Zweige ein lineares Endprofil 52, 62 angenommen werden.

Claims

Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung mit einer Umwandlungseinrichtung von mechanischer Energie in elektrische Energie, welche auf einer auf einem Aufbau befestigbaren Fußplatte montiert ist, wobei die Umwandlungseinrichtung einen elektrodynamischen Motor mit einer Spule (20) aufweist, die mechanisch mit der Fußplatte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung weiterhin einen magnetischen Kreis (10, 11, 12) aufweist, der durch mindestens eine Feder (22) aufgehängt ist, und dass die Spule (20) mit einer elektrischen Last mit einer ohmschen Komponente gekoppelt ist und eine Steuereinrichtung (COM) zur Veränderung der ohmschen Komponente gemäß zumindest zwei Werten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (COM) einen ersten Steuerwert der ohmschen Komponente, der zu einer ersten Dämpfung korrespondiert und einen zweiten Steuerwert aufweist, der zu einer zweiten, wichtigeren Dämpfung korrespondiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spule (20) bei dem ersten Steuerwert im Leerlauf bzw. in einem offenen Kreis befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (20) bei dem zweiten Steuerwert kurzgeschlossen ist.
Verwendung einer Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Luftfahrzeug, insbesondere Hubschrauber, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Flugrechners bzw. -computers eine Betätigung der Steuereinrichtung gemäß dem ersten Steuerwert erfolgt, wenn das Luftfahrzeug sich in einem statischen Flug befindet, und gemäß dem zweiten Steuerwert erfolgt, wenn sich das Luftfahrzeug in einem Kursänderungszustand befindet.