DE68911663T2

DE68911663T2 - Aktives Regelungssystem und Verfahren zur Verminderung von Motorgeräusch und -schwingung.

Info

Publication number: DE68911663T2
Application number: DE89200461T
Authority: DE
Inventors: Anders O Andersson
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2009-02-24
Also published as: US5049768A; DE68911663D1; EP0372590B1; EP0372590A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Systeme zum Steuern bzw. Regeln von Geräusch und Vibration, und mehr im besonderen ein aktives Steuer- bzw. Regelsystem zum Vermindern von Triebwerksgeräusch und -vibration, welches eine rotierende elektromechanische Energieumwandler-Ausgangseinrichtung umf aßt. "Aktive Steuerung bzw. Regelung" in diesem Zusammenhang bedeutet, daß Vibration in einer Struktur durch Anwenden einer gleichen, aber entgegengesetzten Vibration auf die Struktur entgegengewirkt wird. Die Steuerung bzw. Regelung eines vibrierenden Körpers ist früher in dem Stand der Technik durch Detektion der Vibration und Anwendung einer Kraft gegen die detektierte Vibration bewerkstelligt worden, wie z.B. in dem japanischen Patent Nr. 58-144231 zu sehen ist.
Eine andere Methode des Standes der Technik zur Vibrationsdämpfung ist in Figur 1 gezeigt. Hier ist ersichtlich, wie ein Magnet 10 zum Erregen einer Spule 12 früher verwendet worden ist, um eine schwingende Kraft zum Vorsehen einer Linearbeschleunigung und -verlagerung einer Struktur 14 zu liefern. In dieser Systemkonfiguration ist die auf die Struktur 14 angewandte Kraft F gleich der Masse des Magneten 10 mal der Linearbeschleunigung des Magneten 10.
In diesem konventionellen Schüttelapparat wird demgemäß eine Kraft durch Reaktion gegen eine beschleunigende Masse auf die Struktur angewandt. Die Kraft ist das Produkt aus der Masse und der Beschleunigung. Um die Verlagerung der Masse zu begrenzen (welche proportional der Beschleunigung ist), kann die Masse nicht unter gewisse Grenzen vermindert werden, welche durch die praktische Anwendbarkeit der Aufhängung der Masse gesetzt sind. Um eine aktive Geräusch- und Vibrationssteuerung bzw. -regelung vorzusehen, ist eine große Zahl von Vibrationsgeneratoren erforderlich. Infolgedessen wird das Gewicht dieser Einrichtungen nennenwert und unerwünscht, gerade im besonderen so in Flugzeuganwendungen.
Schließlich sind aus dem Artikel "Aktive Synchronisationssteuerung des gyroskopischen Vibrationsabsorbers" (Transactions of the ASME Journal of the Engineering for Industry, Band 97, Nr. 4, November 1975, Seiten 1354-1358) ein System und Verfahren zum Dämpfen von Vibrationen bekannt, wie in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5 beschrieben. Dort ist ein gyroskopischer Dämpfer beschrieben, der einen Rotor, ein Eigengewicht und eine Trommel hat, in welchem der Rotor mit einer veränderbaren Geschwindigkeit angetrieben wird, die von der Frequenz der zu dämpfenden Vibration abhängt. Die beschriebene Anordnung ist jedoch ziemlich kompliziert und ersichtlich nur für die Dämpfung von Vibrationen in einer horizontalen Ebene geeignet.
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Triebwerksgeräusch- und -vibrationsdämpfungssystem zur Verfügung zu stellen. Gemäß der Erfindung wird dieses durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 erreicht.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrischer Motor vorgesehen, wobei sein Stator starr an der zu vibrierenden Struktur angebracht ist. Ein Eingangsstrom wird durch die Windungen angewandt, welcher Eingangsstrom im Verhältnis zu dem gewünschten Drehmoment moduliert wird, um die Struktur durch Anwendung eines schwingenden Drehmoments zu vibrieren.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt einen schnell, schnell drehenden Rotor, welcher elektrisch mit einem modulierten Strom gebremst wird, um ein schwingendes Drehmoment zu erzeugen.
Ziel der Erfindung ist es außerdem, ein verbessertes Verfahren der Geräusch- und Vibrationsunterdrückung zur Verfügung zu stellen. Dieses wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 5 erreicht.
Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden speziell dargelegt in oder würden ersichtlich werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen:

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 eine schematische Ansicht einer konventionellen Schüttelapparatkraftanwendung gemäß dem Stande der Technik auf eine Struktur durch Reaktion gegen eine beschleunigende Masse ist;
Figur 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, worin eine Drehmaschine dazu verwendet wird, ein schwingendes Drehmoment anstelle einer schwingenden Kraft, wie in einem konventionellen Vibrator, der in Figur 1 gezeigt ist, vorzusehen; und
Figur 3 eine grafische und schematische Ansicht eines aktiven Steuer- bzw. Regelsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, worin die elektromechanische Energieumwandlungseinrichtung eine rotierende Scheibe zum Vorsehen eines schwingenden Drehmoments in Ansprechung auf den modulierten Eingangsstrom oder ein gewünschtes Kraftsignal, das die Grundfrequenz und mehrfache Frequenzen der Wellenrotationsgeschwindigkeit des Triebwerks enthält, umfaßt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In dem vorliegen aktiven Steuer- bzw. Regelsystem und Verfahren zum Vermindern von Triebwerksgeräusch- und -vibration, wie es in der ersten Ausführungsform der Figur 2 gezeigt ist, ist der Stator 22 einer rotierenden Maschine 20 starr an der zu vibrierenden Struktur 24 angebracht, während der Eingangsstrom durch die Windungen entweder des Stators 22 oder des Rotors 26 im Verhältnis zu dem gewünschten Drehmoment moduliert wird. In dem Fall der rotierenden Maschine 20 ist ersichtlich, daß eine Winkelbeschleunigung und -verlagerung die Stelle der linearen Beschleunigung und Verlagerung, welche durch die Kombination des Magneten 10 und der Spule 12 der Figur 1 vorgesehen werden, einnimmt. Da die Winkelbeschleunigung und -verlagerung dann die Stelle der Linearbeschleunigung und -verlagerung einnehmen, kann die Winkelverlagerung (Rotation) unbeschränkt sein, ohne schwierige Erfordernisse an die Aufhängung des Rotors zu stellen, was im Gegensatz zu dem System der Figur 1 ist, das eine solche Beschränkung hat. Dem Rotor 26 der Drehmaschine 20 wird eine gleichbleibende Rotationsgeschwindigkeit in der Abwesenheit eines auf den Rotor 26 oder den Stator 22 angewandten modulierenden Stroms gegeben. Auf diese Art und Weise wird eine Antriebsreibung in den Lagern vermieden. Vorteilhafterweise kann in dieser elektromechanischen Energieumwandlungsausführungsform des vorliegenden Systems ein wesentlicher Teil der Masse der Einrichtung, wie ein Permanentmagnet, in dem Rotor plaziert sein.
In der Verwirklichung des Systems gemäß der zweiten Ausführungsform, die in Figur 3 gezeigt ist, wird ein elektromechanischer Verstärker benutzt, so daß dadurch die Größe und das Gewicht des zum Antrieb der Drehmaschine benutzten elektrischen Verstärkers vermindert werden. Gemäß diesem Prinzip wird ein schnell, schnell drehender Rotor, der eine Scheibe 32 umfaßt, elektrisch mit dem Modulationseingangsstrom gebremst, um das schwingende Drehmoment zu erzeugen. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß ein großer Betrag an mechanischer Energie in der Scheibe 32 gespeichert wird und, wie benötigt, basierend auf der Eingabe des modulierten Stroms in Vibrationsenergie umgewandelt wird. Obwohl das Bremsen dann mechanisch mit Bremsschuhen ausgeführt werden kann, wird eine bessere Steuerung bzw. Regelung durch elektrisches Bremsen mittels magnetischer Bremsschuhe 34 erreicht. Der Steuer- bzw. Regelstrom in der Ausführungsform der Figur 3, welcher durch die beiden oder mehr magnetischen Bremsschuhe 34 hindurchgeht, ist moduliert, um Wirbelströme in der Scheibe 32 der Drehmaschine der Figur 3 zu erzeugen. Der Steuer- bzw. Regelstrom, der durch die magnetischen Bremsschuhe 34 hindurchgeht, wird durch Rückkopplungseingabe 36 von den magnetischen Bremsschuhkraftmessern 38 reguliert, um das erforderliche Drehmoment zu erzeugen.
Im Flugzeug treten Vibrationen bei der Wellenrotationsgeschwindigkeit des Triebwerks und Mehrfachen hiervon auf. In konventionellen Strahltriebwerken ist die dominierende Frequenz oder die Grundfrequenz die Wellenrotationsfrequenz selbst, welche in dem Bereich von 35 Hz bis 65 Hz auftritt. In Propellerflugzeugen ist die Wellenrotationsfrequenz niedriger, nämlich in dem Bereich von 20-25 Hz. Jedoch sind das Vielfach der Grundfrequenzen oder die harmonischen Frequenzen wichtig in der Geräusch- und Vibrationsverminderung, und daher können harmonische Frequenzen bis zu 800 Hz eine Unterdrückung erfordern. Große Turbinen und Dieselmotoren erfordern eine Unterdrückung von Frequenzen in dem Bereich von 10 bis 1000 Hz, während Hubschrauberrotorfrequenzen, die eine Dämpfung erfordern, unter 10 Hz gefunden werden können.
Die Ausführungsformen des vorliegenden aktiven Steuer- bzw. Regelsystems der Erfindung können dazu benutzt werden, eine Kraft zu erzeugen, die alle die Frequenzen, welche vermindert werden sollen, gleichzeitig enthält. Das zusammengesetzte Signal oder Eingangssignal, welches in den Ausführungsformen des vorliegenden Systems verwendet wird, enthält die Grundfrequenz und harmonische Frequenzkomponenten, von denen gewünscht wird, daß sie unterdrückt werden. In der Ausführungsform der Figur 3 liefert das Eingangssignal, das die Grundfrequenz und harmonische Frequenzen enthält, das gewünschte Kraftsignal 40. Das gleiche Eingangssignal kann in der Ausführungsform der Figur 2 für den Rotor 26 oder den Stator 22, wie hier oben beschrieben worden ist, vorgesehen sein.

Claims

Ein System zum Dämpfen von Geräusch und Vibration in einer Struktur (24), umfassend:

eine rotierende Maschine (20), die einen drehbaren Teil (26, 32) und einen stationären Teil (22, 34) aufweist, welche an der Struktur (24) angebracht ist, und

Mittel zum Anwenden eines modulierten Steuer- bzw. Regelstroms auf die rotierende Maschine (20) in Ansprechung auf die Vibration der Struktur (24), um eine Gegenvibration der Struktur (24) zu induzieren, welche der Vibration entgegengesetzt und im wesentlichen gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Teil (26, 32) eine Rotationsachse hat, welche im wesentlichen senkrecht zu einer Ebene ist, die durch die Vibration der Struktur (24) definiert ist, und zur Anwendung eines schwingenden Drehmoments auf die Struktur (24) angeordnet ist.
2. Das Dämpfungssystem, wie in Anspruch 1 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Teil (26, 32) kontinuierlich angetrieben ist und so angeordnet ist, daß er in Ansprechung auf den Steuer- bzw. Regelstrom beschleunigt oder verzögert wird.
3. Das Dämpfungssystem des Anspruchs 2, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Teil eine angetriebene Scheibe (32) ist, und der angebrachte Teil wenigstens einen Bremsschuh (34) umfaßt.
4. Das Dämpfungssystem des Anspruchs 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Maschine ein elektrischer Motor (20) ist, deren Stator (22) an der Struktur (24) angebracht ist.
5. Ein Verfahren des Verminderns von Triebwerksgeräusch- und -vibration in einer Struktur (24), umfassend die Schritte des:

Vorsehens eines Steuer- bzw. Regelsignals, das eine Grundfrequenz hat, welche eine Funktion der Wellenrotationsgeschwindigkeit des Triebwerks ist, und Harmonische der Grundfrequenz, und

Anwendens des Steuer- bzw. Regelsignals auf eine Einrichtung, die eine drehbare Masse (26, 32) hat, um die Struktur (24) gegenzuvibrieren, dadurch gekennzeichnet daß das Steuer- bzw. Regelsignal bewirkt, daß die Masse (26, 32) um eine Achse drehbeschleunigt oder -verzögert wird, welche im wesentlichen senkrecht zu einer durch die Triebwerksvibration definierten Ebene ist, so daß dadurch ein schwingendes Drehmoment auf die Struktur (24) angewandt wird.
6. Das Verfahren des Anspruchs 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfrequenz in dem Bereich von 35 Hz bis 65 Hz ist.