DE60210731T2

DE60210731T2 - Schwingungsdämpfungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60210731T2
Application number: DE60210731T
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: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: PT1315917E; ATE323851T1; JP2004521289A; US20040041315A1; CA2416012A1; CN1463337A; ES2261691T3; FR2825768B1; US6916017B2; DE60210731D1; JP4370465B2; WO2002099306A1; EP1315917A1; CA2416012C; EP1315917B1; CN1250888C; FR2825768A1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung.
In der Industrie werden dynamische Schwingungsdämpfer verwendet, um die Fortpflanzung von Schwingungen in einer gegebenen Struktur zu vermeiden.
Sie basieren im Wesentlichen auf Masse-Feder-Systemen.
Das Dokument DE-A-198 23 716 zeigt eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Verwendung von dynamischen Schwingungsdämpfern wirft das Problem des Funktionierens entlang einer einzigen Richtung auf, welche diejenige der Symmetrieachse des Systems ist.
Das Problem liegt somit darin, Bewegungen einzig und allein entlang dieser Achse zu gewährleisten, um Nachteile, wie Schwingungen, Störungen, Reibungen, gar eine Zerstörung der Spule zu vermeiden.
Ziel der Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen, wobei die Grundidee der Einsatz von einer oder mehreren geeigneten Zentrierfeder(n) ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist.
Wenigstens ein Ausschnitt kann wenigstens teilweise die Form einer Spirale, beispielsweise einer parabolischen Spirale aufweisen.
Wenigstens, ein Ausschnitt kann einen geraden Außenabschnitt aufweisen.
Jeder Ausschnitt läuft vorteilhafterweise 1 bis 1,5 mal um den Umfang der Feder.
Die Anzahl der Ausschnitte kann sich auf 3 und vorzugsweise auf 4 belaufen, und in letzterem Fall erstreckt sich jeder Ausschnitt vorzugsweise im Wesentlichen über einmal den Umfang der Feder.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine Zentrierfeder aus einer Aufschichtung einzelner Flachfedern besteht, vor allem um eine Mehrlagenstruktur zu bilden. Denn die axiale Steifigkeit und die erreichte maximale Spannung nehmen mit der Anzahl der aufeinander gelegten Schichten ab, wodurch es insbesondere möglich ist, das Verhältnis zwischen der axialen Steifigkeit und der radialen Steifigkeit der Zentrierfeder anzupassen. Darüber hinaus nimmt die erreichte Maximalspannung mit der Dicke jeder Schicht ab.
Weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden, als nicht einschränkend zu verstehendes Beispiel gegebenen Beschreibung, anhand der Zeichnungen besser hervorgehen, in diesen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die 2a und 2b in der Perspektive bzw. im Schnitt eine Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wonach das bewegliche Teil über vier Spiralfedern 22₁ bis 22₄ gefedert ist,
3 eine Ausführung einer Zentrierfeder ("Spider") mit drei Zweigen oder Armen, und
4 eine Ausführung einer Zentrierfeder ("Spider") mit vier Zweigen oder Armen.
Der Schwingungsdämpfer, welcher in. 1 dargestellt ist, weist eine Grundplatte 1 auf, welche eine flache Platte 2 umfasst, die dazu bestimmt ist, mit einer zu beruhigenden Struktur fest verbunden zu werden. Mit dieser Grundplatte 1 ist eine Spule 20 fest verbunden. Zu diesem Zweck trägt eine Stange 23 an ihren beiden Enden zwei Flansche 3 und 24, von denen der eine 3 mit der Grundplatte 1 fest verbunden ist und von denen der andere 24 die Spule 20 trägt. Das bewegliche Teil, das einen oberen Polschuh 11, einen unteren Polschuh 12 sowie einen Magneten 10 umfasst, ist an einer Feder 22 angebracht und ist durch eine obere Zentrierfeder 31 und eine untere Zentrierfeder 32, die an einem Gehäuse oder einer Schale 40 angebracht sind, zentriert.
Man wird im Bereich der Spule 20 die Dichtigkeit feststellen, die durch das gewellte Gewebe 26 verliehen wird, das von dem an dem Polschuh 11 angebrachten flachen Ring 25 getragen wird.
Die Gesamtanordnung definiert einen elektrodynamischen Motor, dessen Spule gegenüber der Grundplatte 1 fest ist und dessen bewegliches Teil eine Masse M_b ist, die im Wesentlichen durch den Magnetkreis, d.h. die Polschuhe 11 und 12 und den Magneten 10 gebildet ist.
Ein Steuerkreis ermöglicht, den Wert einer an die Anschlüsse der Spule 20 angelegten resistiven Last zu variieren. Es kann sich um einen Regelwiderstand, beispielsweise einen Varistor handeln, dessen Wert von einer elektrischen Spannung abhängt, oder aber um einen Rheostat, der über die Steuervorrichtung gesteuert wird. Auf diese Weise kann die Dämpfung zwischen zwei Extrema variiert werden, nämlich einer sehr geringen Dämpfung, indem die Spule 20 in Leerlaufschaltung oder offenem Stromkreis gelassen wird, oder einer maximalen Dämpfung, indem die Spule 20 kurzgeschlossen wird, wobei der Lastwiderstand dann gleich der eigentlichen resistiven Komponente Ro der Spule 20 ist.
Es kann ein Wert eines höheren Lastwiderstandes R₁ für eine erste relativ schwache Dämpfung und eines geringeren Lastwiderstandes R₂ für eine stärkere Dämpfung gewählt werden.
Eine relativ schwache oder minimale Dämpfung eignet sich insbesondere für ein Luftfahrzeug im statischen Flug, bei dem die Schwingungen einen festgelegten Zustand haben, bei welchem dem Schwingungsdämpfer eine maximale Wirkung verliehen wird, während eine stärkere Dämpfung bei einem Kurswechsel gewählt werden kann, um die Übergangsvorgänge zu vermeiden, die in der Lage sind, den Schwingungsdämpfer zu destabilisieren und/oder den Schwingungspegel in der Kabine wieder ansteigen zu lassen.
Wenn der Schwingungsdämpfer arbeitet, kommt es zwischen dem magnetischen Massekreis M_b und der Grundplatte 1 zu einer Relativbewegung. Die Spule 20 verhält sich folglich wie ein Erzeuger einer elektromotorischen Kraft E_b = BL v, wobei BL den Kraftfaktor des elektrodynamischen Motors (in N/A) und v die Relativgeschwindigkeit zwischen dem magnetischen Massekreis M_b und der Grundplatte 1 bezeichnet.
Die Spule 20 mit der elektrischen Impedanz Z_b wird an eine Last Z_c angeschlossen. Zwischen der Spule und dem Massekreis M_b stellt sich eine Kraft Fa ein, die v entgegenwirkt (nach der Lenzschen Regel) und die folgende Formel hat:
Wir haben soeben die Formel einer Dämpfungskraft bestimmt.
Nimmt man an, dass die Last von einem Rheostat (einstellbarer Widerstand) gebildet ist, können wir nun den Dämpfungskoeffizienten C_b (C_b = F_a/v) zwischen 2 Extremwerten variieren.
Um C_b Maximum zu erhalten:

– muss ein elektrodynamischer Motor gewählt werden, dessen Eigenschaften ermöglichen, das Verhältnis (BL)²/Z_b auf das Maximum einzustellen,
– muss Z_c minimal sein (Z_c = 0, also ein satter Kurzschluss)

Um C_b Minimum zu erhalten:

– muss lediglich der elektrische Kreis geöffnet werden (Z_c = ∞)

Die Frequenzabstimmung des Schwingungsdämpfers wird durch die bewegliche Masse und die Gesamtheit der Steifigkeiten gegeben, welche diese Masse mit der Grundplatte verbinden:

1. Gesamtsteifigkeit der Zentrierfedern 31 und 32: Ks
2. Gesamtsteifigkeit der Rückstellfeder(n) 22: Kr

Wir haben nun folgende Beziehung: Mb·(2·π·Fb)2 = Ks + Kr (2)
Um die Steifigkeit zwischen den Rückstellfedern und den Zentrierfedern 31 und 32 zu verteilen, betrachten wir die folgenden Zwangsläufigkeiten:

1. Die Zentrierfedern 31 und 32 sind nicht belastet, wenn die Masse M_b einmal der Schwerkraft ausgesetzt ist.
2. Die Summe Ks + Kr wird festgelegt, um die Beziehung (2) einzuhalten.

Die Zwangsläufigkeit Nr. 1 erlegt auf, dass das statische Gewicht der beweglichen Masse M_b über die Feder(n) 22 aufgenommen wird. Deren Länge in unbelastetem Zustand wird dann berechnet, um diese statische Durchbiegung zu berücksichtigen, die zur dynamischen Bewegung hinzukommt: Je geringer die Steifigkeit Kr, um so größer muss die Länge in unbelastetem Zustand sein. Kr muss also ausreichend groß gewählt werden, damit es nicht zu gewissen Integrationsschwierigkeiten (Platzbedarf, Durchfedern der Federn bis zum Aufsitzen, aneinanderliegende Windungen) kommt.
Aus den nachfolgend dargelegten Gründen ist es in der Praxis nicht möglich, Ks zu einem willkürlich geringen Wert hin tendieren zu lassen.
Der beschriebene Schwingungsdämpfer arbeitet in einer einzigen Richtung, welche diejenige der Symmetrieachse des Systems ist (vertikale Z-Achse in 1, die durch den Mittelpunkt des Teils verläuft).
Es empfiehlt sich, zwischen dem magnetischen Massekreis M_b und der Grundplatte 1 eine Relativbewegung einzig und allein entlang dieser Achse sicherzustellen, um jedwedes Risiko einer mechanischen Zerstörung der Spule 20 zu vermeiden.
Ausgeschlossen sind also von vornherein:

– radiale Bewegungen (entlang der X- und der Y-Richtung, die zur Z-Richtung senkrecht verlaufen)
– Rotationen entlang der X- und der Y-Achse

Um diese Funktion zu gewährleisten, wird die Masse M_b durch zwei Federn 31 und 32 geführt, die auf beiden Seiten des Massekreises M_b angeordnet sind. Sie sind in ihrer Mitte mit einer Achse 23, welche mit der Grundplatte 1 fest verbunden ist, und an ihrem Umfang mit dem Massekreis M_b fest verbunden.
Unter den anderen Führungstechniken, die hätten gewählt werden können, seien folgende genannt:

1. Kugelbuchsen: kostspieligere Lösung, die eine feingeschliffene Achse benötigt. Des Weiteren sind die Trockenreibungseigenschaften nicht-linear und entwickeln sich mit der Zeit (Verschleiß der Kontaktbereiche), was zur Folge hätte, dass das Verhalten des Schwingungsdämpfers im Laufe seiner Lebenszyklus verändert würde. Es müsste hier ferner ein System zum Festlegen der Masse M_b gegen ein Drehen entlang der Z-Achse zugeordnet werden.
2. Polymerlager: Lösung, die ebenfalls eine feingeschliffene Achse benötigt. Darüber hinaus sind die Trockenreibungseigenschaften nicht-linear und entwickeln sich mit der Zeit (Verschleiß der Kontaktbereiche), was zur Folge hätte, dass das Verhalten des Schwingungsdämpfers im Laufe seines Lebenszyklus verändert würde. Es müsste hier ferner ein System zum Festlegen der Masse M_b gegen ein Drehen entlang der Z-Achse zugeordnet werden.

3 zeigt eine Zentrierfeder 31, 32 aus Metall, die 4 Ausschnitte 50 (oder durchgehende Einschnitte) aufweist, die ebenso viele Zweige bilden, die gleichmäßig um 90° des Umfangs einer Öffnung 55 verteilt sind und die sich von einem inneren Ende 53 in der Nähe der mittleren Öffnung 55 mit dem Durchmesser D_i bis zu einem äußeren Ende 54 in der Nähe einer Außenkontur 57 mit dem Durchmesser De erstrecken. Diese Ausschnitte 50 haben ein abgerundetes, zur Außenseite der Feder konvexes Profil, insbesondere in Form einer Spirale und vorzugsweise einer parabolischen Spirale.
Zu ihrem Ende 54 hin weisen die Ausschnitte 50 vorzugsweise einen linearen Abschnitt 52 auf, dessen Aufgabe darin besteht, Spannungskonzentrationen zu vermeiden, wie dies nachfolgend erläutert wird. In dem dargestellten Beispiel bilden die Zweige 50 zwischen ihren Enden 53 und 54 etwas mehr als einen Umlauf des Umfangs der Feder.
4 zeigt eine Ausführungsform mit 3 Zweigen, deren innere Enden 63 um 90° über den Umfang einer mittleren Öffnung mit dem Durchmesser D_i verteilt sind und die sich bis zu einem Ende 64 in der Nähe der Außenkontur 67 mit dem Durchmesser D_e erstrecken. Wie im vorhergehenden Fall hat das Profil vorteilhafterweise die Forme einer Spirale, vorzugsweise einer parabolischen Spirale. Er erstreckt sich über etwas mehr als eine Windung der Feder. Ein linearer Endabschnitt 62 ist vorteilhafterweise vorgesehen, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
Die Enden 53, 54, 63, 64 sind von den Öffnungen 55, 65 und von den jeweiligen Konturen 57, 67 ausreichend beabstandet, um ein richtiges Einlassen oder Einbauen der Feder ohne Spannungskonzentration an diesen Enden zu ermöglichen.
Es ist besonders vorteilhaft, die Federn 31, 32 in Form einer Aufschichtung von Federn auszubilden, beispielsweise in Form einer Mehrschichtstruktur, d.h. einer Aufschichtung von einzelnen Federn, die zum Beispiel durch Verkleben untereinander fest verbunden sind. Dies ermöglicht, die axiale Steifigkeit, die sich – ebenso wie die erreichte maximale Spannung – mit der Anzahl der Schichten verringert, zu verändern.
Dies ermöglicht insbesondere, das Verhältnis zwischen der axialen Steifigkeit und der radialen Steifigkeit einzustellen.
Die Vorteile der Zentrierfedern 31 und 32 sind folgende:

1. Keinerlei Kontakt zwischen beweglichen Teilen: Es kommt zu keinerlei Nicht-Linearität, keine Störreibungen.
2. Einfache Ausführung.

Die Ausbildung der Zentrierfedern 31 und 32 achtet vorteilhafterweise eine gewisse Anzahl von Zwangsläufigkeiten:

1. Axiale Steifigkeit (entlang der Z-Achse): Sie muss unter einem maximalen Wert liegen Kz = M_b·(2·π·F_b)²
2. Radiale Steifigkeit (in der X-, Y-Ebene), ganz gleich entlang welcher radialen Richtung: Sie muss groß genug sein, um zu vermeiden, dass die an den Schwingungsdämpfer angelegten radialen Spannungen durch Knicken der Federn zu radialen Relativbewegungen zwischen der Spule und dem Magnetkreis führen, die derart sind, dass sie zur Beschädigung der genannten Spule führen könnten. Diese Eigenschaft muss auch unabhängig von der Position der entlang der Z-Achse beweglichen Masse erhalten bleiben. Demnach müssen die Gestaltungen von Federn beseitigt werden, die in der Lage sind, bei maximaler Auswanderung der beweglichen Masse zu knicken. Die Wahl von Zentrierfedern, die Ausschnitte aufweisen, welche nach außen konkav verlaufende Zweige bilden, ermöglicht, das Knicken zu vermeiden.
3. Möglichst geringes Verhältnis (radialer) Platzbedarf/Ausfedern der Feder
4. Maximale Spannungen im Material, so dass das Teil für eine sehr große Anzahl von Zyklen (> 10⁸ Zyklen) dimensioniert ist. Der Zustand maximaler Spannung wird bei Spitzenausfederungen erreicht.

Die bevorzugte Ausführungsform verwendet Ausschnitte mit der Form einer parabolischen Spirale (oder entlang einer oder mehrerer Kreisachsen, die sich einem Profil mit der Form einer parabolischen Spirale nähern).
Die Gestaltungsparameter sind folgende:

1. Die Anzahl von Zweigen (wenigstens 2, vorzugsweise 4).
2. Innendurchmesser D_i und Außendurchmesser D_e.
3. Dicke der Feder.
4. Ausgangswinkel θ des Ausschnittes (Seite Innendurchmesser) – (siehe Eingerahmtes in 4). Je näher der Wert von θ bei 90° liegt, um so mehr schreitet die Spannungsänderung fort. Wenn θ nahe 0° ist, kommt es zu einer abrupten Änderung der Spannung im Bereich des Einbaus.
5. Abschluss des Ausschnitts (Seite Außendurchmesser): Der Abschluss erfolgt schrittweise über einen Materialabschnitt 56, 66, der sich praktisch dreieckförmig weitet, und zwar um lokale Spannungskonzentrationen an den kleinen Krümmungsradien zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann für die Zweige ein lineares Endprofil 52, 62 gewählt werden.

Claims

Schwingungsdämpfungsvorrichtung umfassend eine Vorrichtung zur Energieumwandlung, die auf einer Grundplatte angebracht ist, welche dazu bestimmt ist, an einer Struktur befestigt zu werden, wobei die Vorrichtung zur Energieumwandlung ein bewegliches Teil umfasst, das wenigstens eine flache Zentrierfeder (31, 32) aufweist, die sich zwischen einem Innenbereich (55, 65) mit einem ersten Durchmesser (D_i) und einem Außenbereich (57, 67) mit einem zweiten Durchmesser (D_e) erstreckt, wobei die Zentrierfeder (31, 32) wenigstens zwei Ausschnitte (50, 60) aufweist, die jeweils einen Zweig bilden, der wenigstens einen Abschnitt (51, 61) hat, dessen Konkavität der Außenseite (67) der Feder (31, 32) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Teil über wenigstens eine Feder vom Typ Spiralfeder (22, 22₁ bis 22₄ ) gefedert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ausschnitt (50, 60) wenigstens teilweise spiralförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt (51, 61) ein Teil einer parabolischen Spirale ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ausschnitt (50, 60) einen geraden Außenabschnitt (52, 62) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausschnitt 1 bis 1,5 mal um den Umfang der Zentrierfeder (31, 32) läuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierfeder (31, 32) 3 Ausschnitte (50, 60) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierfeder (31, 32) 4 Ausschnitte (50, 60) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeder Ausschnitt (50, 60) im wesentlichen über einmal den Umfang der Zentrierfeder (31, 32) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierfeder (31, 32) von einer Aufschichtung einzelner Flachfedern gebildet ist.