DE69211075T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Filtrieren der Schwingungen zwischen zwei Teilen, insbesondere zwischen dem Rotor und dem Rumpf eines Hubschraubers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Filtrieren der Schwingungen zwischen zwei Teilen, insbesondere zwischen dem Rotor und dem Rumpf eines Hubschraubers

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DE69211075T2
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausfiltern von Schwingungserregungen, die zwischen zwei Teilen übertragen werden, und eine Vorrichtung zur elastischen Verbindung zwischen zwei Teilen, um zwischen denselben die statischen Kräfte in der Achse der Vorrichtung zu übertragen und gleichzeitig die entsprechenden koaxialen Schwingungserregungen, die vom einen auf das andere übertragen werden, auszufiltern.
  • Ganz besonders, wenn auch nicht ausschließlich, kann eine solche Vorrichtung in der Aufhängung zwischen dem Hauptgetriebe und dem Rumpf eines Drehflüglers, beispielsweise eines Hubschraubers, dazu verwendet werden, die vom Rotor erzeugten und an den Rumpf des Luftfahrzeugs durch das Getriebe übertragenen Schwingungen auszufiltern.
  • Eins der Hauptprobleme beim Hubschrauber ist der allgemeine Vibrationspegel, durch den einerseits die Höhe der Wechselbeanspruchungen in der gesamten Maschine (und folglich das Ermüdungsverhalten und demzufolge die Lebensdauer der Teile) und andererseits der Komfort in der Kabine und die Schwingungen der Bedienelemente bedingt sind.
  • Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten war es also, diesen dem Betrieb des Rotors inhärenten Vibrationspegel wenn auch nicht vollständig zu beseitigen, so doch wenigstens zu senken. Durch den Rotor werden an die Nabe nicht nur statische oder quasi-statische Kräfte und Momente aus:
  • - Auftrieb (senkrecht zur Rotorebene)
  • - Widerstand (in Rotorebene und parallel zu der senkrecht zu Träger-Rotor verlaufenden Komponente VH der Vorwärtsgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs),
  • - Abdrift (senkrecht zu den beiden oben genannten, ebenfalls in Rotorebene) mit niedrigem, im allgemeinen vernachlässigbarem Wert
  • sondern auch periodische Kräfte und Momente aufgrund der aerodynamischen Unsymmetrien (Auftrieb und Profuwiderstand), die während der Rotation der Blätter im wesentlichen durch die Vorwärtsgeschwindigkeit bei Geradeausflug mit hoher Geschwindigkeit entstehen, oder der Unsymmetrien aufgrund der ungleichen Verteilung der an der Rotorfläche bei niedriger Geschwindigkeit (Übergangsbereich) induzierten Geschwindigkeiten übertragen. Diese aerodynamischen Wechselkräfte und -momente werden nach Dämpfung oder Verstärkung durch die Blätter an den Rotormittelpunkt übertragen.
  • Wenn ganz allgemein mit Q die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, ausgedrückt in Umdrehungen je Sekunde, und mit b die Blattzahl bezeichnet wird, werden bekanntlich:
  • - Kräfte (infolge der Schlagbewegungen der Blätter) und Momente (infolge der Schwenkbewegungen der Blätter), deren Achsen auf der Rotorachse liegen, nur an Rotorträger und Rumpf übertragen, wenn ihre Frequenz, ausgedrückt in Hertz (Hz), eine Harmonische von bΩ ist, also die Form kbΩ hat (k - positive ganze Zahl gleich oder größer als 1), wobei die Übertragung dieser Kräfte und Momente der Drehachsen an die festen Achsen ohne Frequenzänderung erfolgt (Pump- und Torsionswirkungen in der Struktur);
  • - Kräfte (infolge der Schwenkbewegungen der Blätter) und Momente (infolge der Schlagbewegungen der Blätter), deren Achsen sich in der Rotorebene befinden, nur an Rotorträger und Rumpf übertragen, wenn deren Frequenz die Form (kb±1)Ω hat, wobei die resultierenden Kräfte und Momente dann die Festachsenfrequenz kbΩ haben (Roll- und Nickwirkungen, Quer- oder Längssieb hauptsächlich bΩ).
  • Es bleibt folglich festzuhalten, daß von einem Rotor im Gleichgewicht neben den statischen Kräften und Momenten nur Wechselkräfte und -momente mit einer Frequenz übertragen werden, die ein Vielfaches der Rotordrehzahl multipliziert mit der Blattzahl ist. Dabei ist die Grundfrequenz gleich bΩ).
  • Um die gefährlichen periodischen Kräfte zu vermeiden, deren Frequenz ein Vielfaches der Rotordrehzahl ist, müßte also die Blattzahl erhöht werden, da:
  • - die Erregungsharmonischen im Bereich der Blätter, die sich auf die Schwingungen im Rumpf auswirken, folgendermaßen verteilt sind:
  • Zweiblattrotor 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
  • Dreiblattrotor 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
  • Vierblattrotor 3 4 5 7 8 9 11
  • Fünfblattrotor 4 5 6 9 10 11
  • - die Amplitude der Harmonischen umso kleiner ist, je größer ihre Ordnungszahl ist;
  • - die sich auf den Komfort auswirkenden Erregungen die Harmonischen (kb±1)Ω in den Blattachsen sind, die sich zusammengesetzt in den Frequenzen kbΩ im Rumpf des Hubschraubers wiederfinden;
  • - der Mensch umso empfindlicher ist, je niedriger die Erregungsfrequenz ist, und zwar vor allem in der vertikalen Achse.
  • Aus Kostengründen und wegen der Komplexität muß die Blattzahl jedoch begrenzt werden.
  • Außerdem ist bekannt, daß bei steigenden Leistungen die Erregungen wie Vn (n> 1) steigen. Bei hoher Geschwindigkeit nimmt also der Vibrationspegel im Rumpf in der gleichen Weise zu.
  • Diese Feststellungen und die immer stärker werdenden Forderungen nach Komfort sind die Begründung für die Entwicklung von Systemen, durch die die mit F&sub0; bezeichneten statischen Kräfte und Momente bei gleichzeitiger Dämpfung der Schwingungen entsprechend der Zerlegung in die Fourier-Reihe ΣFn cos nΩt (t - Zeit, n - Ordnungszahl der Harmonischen) übertragen werden können. Durch diese Dämpfung müssen vor allem die vertikalen Komponenten der dynamischen Beanspruchungen im Bereich des Rumpfes, die in der Praxis die größten Störungen verursachen, minimiert werden.
  • Es ist auch bekannt, daß die Parameter, die auf die Schwingungspegel einen Einfluß ausüben, bereits im Entwicklungsstadium eines Rotors berücksichtigt werden, um deren Auswirkungen klein zu halten, wie Nabenart (starre oder angelenkte Nabe) und Wahl der
  • Blattzahl, aerodynamische Optimierung der Blätter zur Verringerung der Erregungen sowie Optimierung der dynamischen Reaktion der Blätter zur Verringerung der an den Rotorkopf übertragenen Dyname (Kräfte und Momente).
  • Wenn diese Wahl und die vorgenommenen Kompromisse nicht zu den für die Schwingungspegel erwarteten theoretischen (oder experimentellen) Ergebnissen führen, kann zur Veränderung der Erregungsdyname am Rumpf auf zusätzliche Einflußmittel zurückgegriffen werden:
  • 1) entweder im Bereich des Rotors Anwendung von passiven Pendel- Schwingungsdämpfern (oder von Masse-Federsystemen beispielsweise am Rotorkopf) oder einer aktiven multizyklischen Steuerung. Im letzten Fall übermittelt ein Rechner an die zyklische Schrittsteuerung der Blätter über Servosteuerungen Signale, analysiert die erzeugte Wirkung und optimiert den Eingang, bis sich am Ausgang eine Minimalbeschleunigung ergibt. Die multizyklische Steuerung ist, anders gesagt, eine spezifische Lösung für Hubschrauber, die auf der Veränderung der aerodynamischen Kräfte an den Blättern (und im weiteren auf der Veränderung der Erregungsdyname am Rotorkopf, also außerhalb des Rumpfes) durch die multizyklische Eingabe von Schrittbefehlen beruht;
  • 2) oder im Bereich des Rumpfes (ursprünglich Entwicklung u.a. mit der Vorgabe, daß die Eigenschwingungen nicht zu dicht an den Haupterregungsfrequenzen liegen dürfen) durch:
  • - lokale Behandlung durch Änderung der Biegungslinien der dynamischen Reaktionen der Struktur (versetzte Batterien, Versteifung von Bauteilen) oder durch Anbringung von Masse-Federresonatoren (zum Beispiel elastisch gelagerte Batterien),
  • - Gesamtbehandlung durch eine aktive Steuerung der Struktur anhand der Anderung der Erregungsdyname am Rumpf (d.h. Verteilung der inneren Kräfte) und deren Reaktion (Patente FR-1 506 385 und FR-2 566 862);
  • 3) oder aber im Bereich der Schnittstelle zwischen den mechanischen Baugruppen des Hauptrotors und dem Rumpf, um die Übertragung der Rotorschwingungen auf die Zelle insbesondere durch passive Aufhängungen, wie sie zum Beispiel in den Patenten FR-1 507 306, FR-2 499 505 und FR-2 629 545 beschrieben wurden, auszufiltern.
  • Insbesondere das Patent FR-1 506 385 bezieht sich auf ein Dämpfungsverfahren und einen elektrohydraulischen Dämpfer für einen Drehflügler. Das Verfahren besteht darin, aus den am Rumpf gemessenen dynamischen Beschleunigungen elektrische Signale zu erzeugen, die mit Hilfe eines elektrohydraulischen Servoventils in hydraulische Druckänderungen umgeformt werden, die dann an einen doppeltwirkenden Zylinder übertragen werden, der zwischen dem Rumpf und dem Hauptgetriebe angeordnet ist und den Schwingungen entgegenwirkt. Dazu ist ein Beschleunigungsmesser im Rumpf des Luftfahrzeugs mit dem Steuerkreis des doppeltwirkenden Zylinders verbunden. Der Zylinder stellt eine vierte Verbindungsstange oder als Alternative eine der üblichen Stangen dar und hat in diesem Fall ein paralleles elastisches Organ, das die erforderliche Flexibilität für den ordnungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung gewährleistet und die Auftriebs- und die (im wesentlichen statischen) Manöverkräfte aufnehmen kann.
  • Eine Weiterentwicklung dieses Konzepts ist in Patent FR-2 566 862 beschrieben, bei dem zwischen Rumpf und Rotor eines Hubschraubers eine Vielzahl von Stellgliedern vorgesehen ist, deren Schwingungen durch die Verarbeitung von Signalen, die für die dynamischen Beschleunigungen repräsentativ sind, die von einer Vielzahl von Beschleunigungsmessern am Rumpf gemessen werden, in Phase und Amplitude gesteuert werden. Ein derartiges System stellt einen geschlossenen Kreislauf dar. Aus den Beschleunigungsmessungen am Rumpf werden mit Hilfe eines Rechners die zu erzeugenden optimalen Befehle ermittelt. Durch die Ausführung dieser Befehle werden der Zustand des Rumpfes und damit die nachfolgenden Messungen verändert.
  • Aus Dokument FR-A-2 642 493 sind außerdem ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den entsprechenden Einleitungen der Ansprüche 1 und 9 bekannt.
  • Derartige Beschleunigungsmessungen können jedoch mit Fehlern und Unsicherheiten insbesondere durch mögliche Phasenverschiebungen behaftet sein, da sie direkt am Rumpf des Luftfahrzeugs vorgenommen wurden.
  • Ziel dieser Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen.
  • Dazu ist das Verfahren zum Ausfiltern der Schwingungserregungen, die zwischen zwei Teilen übertragen werden, die durch mindestens ein Verbindungselement verbunden sind, das ein Organ zur Übertragung der statischen Kraft zwischen den Teilen und ein dem Übertragungsorgan zugeordnetes Stellglied hat, wobei das Verfahren darin besteht, daß:
  • - eine physikalische Größe gemessen wird, die für die zwischen den Teilen übertragenen Schwingungserregungen repräsentativ ist, und erste entsprechende Signale erzeugt werden,
  • - die ersten Signale zu zweiten Steuersignalen für das Stellglied umgewandelt werden, das den Schwingungserregungen entgegenwirken soll,
  • erfindungsgemaß dadurch bemerkenswert, daß als physikalische Größe die axiale Verformung des Übertragungsorgans des Verbindungselements gemessen wird, und dadurch, daß die Entkopplung von statischer Kraft und Schwingungserregungen durch die Verarbeitungsmittel so erfolgt, daß die zweiten Steuersignale das Stellglied so steuern, daß dieses den Schwingungserregungen genau entgegenwirkt.
  • Wenn die Messung der physikalischen Größe direkt am Verbindungselement vorgenommen wird, können so Fehler oder Unsicherheiten, die sich bei Messungen an einem der betreffenden Teile, insbesondere am Rumpf eines Hubschraubers, ergeben, vermieden werden.
  • Wenn die Teile durch eine Vielzahl von Verbindungselementen verbunden sind, wird die physikalische Größe vorzugsweise an jedem der Verbindungselemente gemessen.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird oder werden bei der Verarbeitung der ersten Signale in jedem Verbindungselement die harmonische Komponente oder die harmonischen Komponenten der Schwingungserregungen ermittelt, denen das entsprechende Stellglied entgegenwirken soll.
  • Zu dieser Ermittlung kann insbesondere entweder eine Zeitanalyse in Echtzeit durch digitale oder analoge Bandpaßfilterung oder eine Fourier-Analyse durchgeführt werden.
  • Außerdem können die zweiten Steuersignale der verschiedenen Stellglieder unabhängig oder abhängig erzeugt werden.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird, wenn zusätzliche passive Verbindungen zwischen den Teilen vorgesehen sind, vorzugsweise:
  • - die physikalische Größe außerdem an einer oder mehreren zusätzlichen passiven Verbindungen gemessen und
  • - werden die abhängigen Steuersignale jedes Stellglieds erzeugt, indem eine kontinuierliche automatische Minimierung des Leistungskriteriums PI vorgenommen wird, dessen Formel lautet:
  • in der sind:
  • N = Anzahl der Stellglieder und der entsprechenden Messungen,
  • M = Anzahl der Messungen an der oder den zusätzlichen passiven Verbindungen,
  • εkf = harmonische Komponente mit der Rangordnung k der physikalischen Größe mit der Grundfrequenz f,
  • p = Anzahl der auszufilternden harmonischen Komponenten,
  • a = Matrix zum Wichten der Wirkung jedes Verbindungselements.
  • Diese Erfindung bezieht sich auch auf eine elastische Verbindungsvorrichtung zwischen zwei Teilen, um zwischen diesen die statischen Kräfte in der Achse der Vorrichtung zu übertragen und gleichzeitig die entsprechenden koaxialen Schwingungserregungen auszufiltern, die zwischen diesen übertragen werden, sie umfaßt dazu:
  • - mindestens ein Verbindungselement zwischen den Teilen mit einem Organ zur Übertragung der statischen Kraft zwischen den Teilen und einem dem Übertragungsorgan zugeordneten Stellglied,
  • - mindestens ein Mittel zur Messung einer physikalischen Größe, die für die Schwingungserregungen, die zwischen den Teilen übertragen werden, repräsentativ ist, das entsprechende erste Signale abgeben kann, und
  • - elektronische Mittel zur Verarbeitung der ersten Signale, um diese in zweite Steuersignale für das Stellglied umzuwandeln, das so gesteuert wird, daß es den Schwingungserregungen entgegenwirkt,
  • und ist dadurch bemerkenswert, daß das Meßmittel am Übertragungsorgan des Verbindungselements angebracht ist und die axiale Verformung des Organs mißt, und dadurch, daß durch die Verarbeitungsmittel die statische Kraft und die Schwingungserregungen entkoppelt werden, so daß die zweiten Steuersignale das Stellglied so steuern, daß dieses den Schwingungserregungen genau entgegenwirkt.
  • Wenn die Vorrichtung eine Vielzahl von Verbindungselementen zwischen den Teilen und eine Vielzahl von Meßmitteln hat, ist es vorteilhaft, wenn an jedem der Verbindungselemente ein Meßmittel angebracht wird.
    • Vorzugsweise ist der Sensor ein Dehnungsmeßstreifen.
  • Außerdem kann das Stellglied ein doppeltwirkender Zylinder sein, der parallel zum Verbindungsorgan angeordnet ist und durch ein Magnetventil gesteuert wird.
  • Vorteilhafterweise enthalten die elektronischen Verarbeitungsrnittel Analysemittel, mit denen in jedem Verbindungselement die harmonische Komponente oder die harmonischen Komponenten der Schwingungserregungen ermittelt werden können, denen das entsprechende Stellglied entgegenwirken soll. Insbesondere können die Analysemittel eine Zeitanalyse in Echtzeit durch digitale oder analoge Bandpaßfilterung oder eine Fourier-Analyse durchführen.
  • Außerdem ist die Vorrichtung, bei der zwischen den Teilen zusätzliche passive Verbindungen vorgesehen sind, dadurch bemerkenswert, daß vorzugsweise zusätzliche Mittel zur Messung der physikalischen Größe außerdem an der oder den zusätzlichen passiven Verbindungen angebracht sind und die abhängigen Steuersignale für jedes Stellglied erzeugt werden, indem eine kontinuierliche automatische Minimierung des Leistungskriteriums PI vorgenommen wird, dessen Formel lautet:
  • in der sind:
  • N = Anzahl der Stellglieder und der entsprechenden Messungen,
  • M = Anzahl der Messungen an der oder den zusätzlichen passiven Verbindungen,
  • εkf = harmonische Komponente mit der Rangordnung k der physikalischen Größe mit der Grundfrequenz f,
  • p Anzahl der auszufilternden harmonischen Komponenten,
  • a = Matrix zum Wichten der Wirkung jedes Verbindungselements.
  • Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis dafür, wie die Erfindung verwirklicht werden kann.
  • Figur 1 ist eine perspektivische schematische Darstellung eines Hubschraubers mit der erfindungsgemäßen elastischen Verbindungsvorrichtung.
  • Figur 2 veranschaulicht schematisch eine erfindungsgemäße elastische Verbindungsvorrichtung.
  • Figur 3 zeigt an einem Beispiel die Anordnung der Verbindungselemente der Vorrichtung der Erfindung zwischen dem Hauptgetriebe und dem Rumpf eines Hubschraubers.
  • Figur 4 ist der Schnitt nach Linie IV-IV von Figur 3.
  • Wie in Figur 1 zu sehen ist, hat der Hubschrauber 1 einen Hauptauftriebsrotor 2, der über ein Hauptgetriebe 3 angetrieben wird, an das die vom Motor 4 abgegebene Antriebsleistung gelangt und durch das der Rumpf 5 gehalten wird.
  • Zwischen dem Hauptgetriebe 3 und dem Rumpf 5 ist eine elastische Verbindungsvorrichtung 6 mit einer Vielzahl von Verbindungselementen 7 (deren Anzahl mindestens gleich drei ist) vorgesehen, die einerseits mit dem Hauptgetriebe 3 und andererseits mit dem Rumpf 5 verbunden sind und, wie in Figur 2 gezeigt, jeweils ein Organ 8 zur Übertragung der statischen Kraft zwischen dem Hauptgetriebe 3 und dem Rumpf 5 (Steifigkeit für einen optimalen Betrieb der Vorrichtung ausgelegt) und ein zugeordnetes Stellglied 9 parallel zum Übertragungsorgan 8 haben, das, wie veranschaulicht, ein doppeltwirkender Zylinder sein kann, der im allgemeinen entsprechend FR-1 506 385 ausgeführt werden könnte. Ein Sensor 10 an jedem Verbindungselement 7, der in dieses eingebaut oder mit diesem zumindest geeignet verbunden ist (wie schematisch in Figur 2 durch Verbindung 11 veranschaulicht) ermöglicht die Messung einer physikalischen Größe, die für die von Getriebe 3 an Rumpf 5 übertragenen Schwingungserregungen repräsentativ ist. Ein derartiger Sensor, der ein Dehnungsmeßstreifen sein kann, der die axiale Verformung des entsprechenden Verbindungselements (insbesondere von Organ 8 zur Übertragung der statischen Kraft) mißt, gibt erste elektrische Signale (über Verbindung 15A) an einen Rechner 12, der die ersten Signale in zweite Signale zur Steuerung von Stellglied 9 umwandelt (Verbindung 15B), das durch Magnetventil 13 (Verbindung (14) so gesteuert wird, daß es den Schwingungserregungen entgegenwirkt (die Speisequelle des Stellglieds ist nicht dargestellt).
  • Diese zweiten Steuersignale können unabhängig oder abhängig erzeugt werden, je nachdem, ob die Steuerung eines Stellglieds von den Steuerungen der anderen Stellglieder abhängig sein soll oder nicht. Wie in den Figuren 1 und 2 symbolisch durch die zusätzlichen Eingänge 15A und Ausgänge 15B von Rechner 12 dargestellt, kann der Rechner 12 außerdem allen Verbindungselementen 7 gemeinsam sein.
  • Wie unten im einzelnen erklärt wird, hat der Rechner 12 Analysemittel, mit denen für jedes Verbindungselement 7 die harmonische. Komponente oder die harmonischen Komponenten der Schwingungserregungen ermittelt werden können, denen das entsprechende Stellglied 9 entgegenwirken soll, wobei entweder eine Zeitanalyse in Echtzeit durch digitale oder analoge Bandpaßfilterung oder eine Fourier- Analyse erfolgt.
  • In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden also Module 7 eingesetzt, die aus einer parallelen Anordnung einerseits eines Organs 8 mit optimaler passiver Steifigkeit zur Übertragung der statischen (Auftrieb des Fahrzeugs) oder quasi-statischen (langsame Manöver) Kräfte und andererseits eines Stellglieds 9 bestehen, das bei anliegender Kraft so gesteuert wird, daß die Erregungsharmonischen mit den Frequenzen kbΩ (k = ganze Zahl ≥ 1; b = Blattzahl; Ω Rotationsgeschwindigkeit des Rotors in Umdrehungen je Sekunde, Frequenzen in Hz), die vom Rotorkopf auf den Rumpf übertragen werden, minimiert oder aufgehoben werden.
  • Es ist einleuchtend, daß, wenn alle Harmonischen (Vielfache der Rotor-Rotationsgeschwindigkeit multipliziert mit der Blattzahl) ausgefiltert werden sollen, die Steuerung x folgendermaßen aussehen muß:
  • wobei die Grunderregung und die zugeordnete Steuerung k = 1 entsprechen und y eine nach ∞ strebende ganze Zahl ist.
  • Es ist also festzustellen, daß in der vorliegenden Erfindung der geschlossene Kreislauf gewissermaßen in jedem Modul verwirklicht ist und dabei gegebenenfalls, wie unten im einzelnen zu sehen ist, der Betrieb der anderen aktiven Module und eventuell weiterer passiver Verbindungen berücksichtigt wird. Wie bereits gesagt, können dadurch Fehler und Unsicherheiten vermieden werden, die sich bei Messungen am Rumpf des Luftfahrzeugs ergeben würden.
  • Es wurde schon darauf hingewiesen, daß jeder Sensor 10 aus einem Dehnungsmeßstreifen an jedem aktiven Modul 7 und gegebenenfalls an der Schnittstelle zwischen jedem zusätzlichen passiven Verbindungselement 16 (Figur 1) und dem Rumpf 5 bestehen kann, um die relativen Verformungen des statisch und dynamisch beanspruchten Materials zu erfassen. Das entsprechende elektrische Signal wird dann vom Rechner 12 zur Steuerung jedes Stellglieds 9 verarbeitet. Es wird demzufolge eine relative Verformung ε = Δ 1/1 erfaßt, deren harmonische Komponenten εkbΩ [oder εkf mit f (Grundfrequenz der Erregung) = bΩ] ermittelt werden, die für die harmonischen Komponenten mit der Rangordnung k der dynamischen Erregungskraft mit der Frequenz bΩ, die ganz oder teilweise von jedem Stellglied auszufiltern sind, repräsentativ sind.
  • Zur Ableitung der Komponenten εkf aus der Gesamtmessung ε = ε (t) mit t = Zeit sind zwei Verfahren denkbar.
  • 1) Die Fourier-Analyse, die darin besteht, daß die periodische Zeitfunktion ε mit der Kreisfrequenz ω, wobei ω = 2πbΩ ist, in eine Reihe von Sinusschwingungen mit der Kreisfrequenz kω (1 ≤ k ≤ y) und dem Phasenwinkel φk, d.h.:
  • ε(t) = εo + ε1fsin (ωt + φ&sub1;) +... + εkfsin (kωt+φk) +... zerlegt, dann analytisch die Mengen εkf und φk (k = 1 bis y) bestimmt und zum Beispiel nur "p" Werte k ausgewählt werden.
  • Die Anwendung dieser Methode ist nur vorstellbar, wenn die Steuerungen abhängig sind, d.h. wenn bei der Steuerung jedes Stellgliedes Wirkungen der anderen Stellglieder oder aber der gesamten Messungen (zum Beispiel nach dem unten vorgeschlagenen Leistungskriterium) berücksichtigt werden. Andernfalls ist die Konvergenz der Rechenalgorithmen jedes Moduls gegenüber den Wirkungen der anderen Module und demzufolge der Entwicklung des zu kontrollierenden Schwingungspegels zu langsam, ja unmöglich.
  • 2) Die Zeitanalyse, die darin besteht, daß die zu dämpfenden oder zu beseitigenden harmonischen Komponenten ε(t) digital oder analog mit einem Bandpaß bei niedriger Abtastzeit ausgefiltert werden. Ein Echtzeitrechner (dessen Rechenzeit gegenüber der vorherrschenden Zeitkonstante des Systems also niedrig ist) erzeugt dann in Echtzeit die an das Stellglied zu übertragenden elektrischen Signale. In Anbetracht dieser Merkmale wird dieses Verfahren in allen Fällen angewendet.
  • Bei einem einzigen Stellglied, das durch die gemessene Verformung des Verbindungselements gesteuert wird, mit dem es verbunden oder in das es eingebaut ist, kann die dynamische Kraft einfach beseitigt werden. Ein gleiches Ergebnis ergibt sich bei mehreren Stellgliedern, die unabhängig jeweils nach der auf den Rumpfboden wirkenden Kraft gesteuert werden. Das ist auch dann noch möglich, wenn die Steuerungen abhängig sind, da gezeigt wird, daß, wenn eine Struktur von N Stellgliedern gesteuert wird, N ausgewählte Messungen und demzufolge diejenigen beseitigt werden können, die sich auf die dynamischen Dehnungen der mit einem Stellglied verbundenen Verbindungselemente beziehen. Es handelt sich dabei um eine ideale theoretische Lösung ohne jede passive Verbindung.
  • Wenn der Rumpf jedoch Erregungen ausgesetzt ist, die durch passive Verbindungen zum Beispiel im Boden des Hauptgetriebes (zum Beispiel Längs- oder Quersiebbewegungen) übertragen werden, kann die oben beschriebene Vorrichtung unzureichend sein.
  • Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden in einer ersten Lösung die Verbindungen Getriebeboden-Rumpf durch aktive Isolierelemente ersetzt, die aus den oben beschriebenen Modulen bestehen.
  • Da die Bewegung eines starren Körpers durch drei Bewegungen und drei Drehungen beschrieben wird, sind aktiv sechs Freiheitsgrade zu steuern. Die Minimallösung, mit der theoretisch jede Übertragung dynamischer Erregungen vom Rotor auf den Rumpf beseitigt werden kann, besteht somit darin, daß sechs erfindungsgemäße Module entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3 und 4 installiert werden. Es handelt sich auch hier wieder um eine theoretisch ideale Konzeption.
  • Wie in diesen Figuren zu sehen ist, sind drei Verbindungselemente 7 zwischen dem oberen Teil von Hauptgetriebe 3 und der oberen Struktur von Rumpf 5 entsprechend den Kanten eines Achsenkreuzes, dessen Scheitelpunkt an der X-X-Achse des Hauptauftriebsrotors 2 liegt, und drei weitere Verbindungselemente 7 zwischen dem annähernd kreisrunden Boden des Hauptgetriebes 3 und der oberen Struktur von Rumpf 5 tangential zum Boden des Hauptgetriebes und in gleichem Abstand zueinander angebracht. Die Verbindungselemente 7 sind am Hauptgetriebe 3 und am Rumpf 5 mit üblichen Gabelgelenken 20, 21 befestigt.
  • Wenn davon ausgegangen wird, daß die Verbindungen 16 Boden Hauptgetriebe-Rumpf passiv bleiben, besteht eine zweite Lösung darin, die Messung der in den Rumpf durch diese Verbindungen eingeführten Verformungen zu berücksichtigen. Wenn zum Beispiel N aktive Module für N Verformungsmessungen und P passive Verbindungen 16 (zum Beispiel drei) für M Messungen vorhanden sind, können die abhängigen Steuerungen der N Module optimiert werden, indem zum Beispiel das quadratische Kriterium nach PI oder Leistungskriterium angewendet wird, das zur Herstellung optimaler Steuerungen zu minimieren ist:
  • Dabei sind: εkf die harmonische Komponente mit der Rangfolge k, f die Grundfrequenz bΩ, p die zu dämpfende Harmonischenzahl und a eine Gewichtungsmatrix, mit der die Befehle für die verschiedenen N Stellglieder moduliert werden, und die damit eine optimale Einstellung der Aufhängung ermöglicht. Die dynamischen Kräfte sind dann in den Verbindungen Hauptgetriebe-Rumpf ungleich Null.
  • Dieses Leistungskriterium ist genauer gesagt:
  • Dabei sind: ε der Vektor der gemessenen relativen Verformungen, εH die aus ε abgeleitete konjugierte transponierte Matrix und a die den Messungen entsprechende Gewichtungsmatrix.
  • Es ist festzustellen, daß sich die Anzahl der Messungen M in Anbetracht der Freiheitsgrade der passiven Verbindungen 16 von der Anzahl P der passiven Verbindungen unterscheiden kann. Wenn sich die Messungen M auf die Verschiebungen zum Beispiel der P passiven Verbindungen im Bereich des Rumpfes beziehen, können sich für jede Verbindung P drei Messungen ergeben, d.h. M = 3xP, so daß die Anzahl der Sensoren gleich der Anzahl der auszuführenden Messungen sein kann.

Claims (19)

1. Verfahren zum Ausfiltern der Schwingungserregungen, die zwischen zwei Teilen (3,5) übertragen werden, die durch mindestens ein Verbindungselement (7) bestehend aus einem Organ (8) zur Übertragung der statischen Kraft zwischen den Teilen (3,5) und einem dem Übertragungsorgan (8) zugeordneten Stellglied (9) verbunden sind, wobei das Verfahren, bei dem:
- eine physikalische Größe gemessen wird, die für die zwischen den Teilen übertragenen Schwingungserregungen repräsentativ ist, und erste entsprechende Signale erzeugt werden;
- mit Verarbeitungsmitteln (12) die ersten Signale zu zweiten Signalen zur Steuerung des Stellglieds (9) verarbeitet werden; dadurch gekennzeichnet, daß als physikalische Größe die axiale Verformung des Übertragungsorgans (8) des Verbindungslements (7) gemessen wird, und dadurch, daß die Entkopplung von statischer Kraft und Schwingungserregungen durch die Verarbeitungsmittel (12) erfolgt, so daß die zweiten Steuersignale das Stellglied so steuern, daß es den Schwingungserregungen genau entgegenwirken kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wenn die Teile (3,5) durch eine Vielzahl von Verbindungselementen (7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe an jedem der Verbindungselemente (7) gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verarbeitung der ersten Signale in jedem Verbindungselement (7) die harmonische Komponente oder harmonischen Komponenten der Schwingungserregungen ermittelt werden, denen das entsprechende Stellglied (9) entgegenwirken soll.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für diese Ermittlung eine Zeitanalyse in Echtzeit durch digitale oder analoge Bandpaßfilterung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für diese Ermittlung eine Fourier-Analyse durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Steuersignale für die verschiedenen Stellglieder (9) unabhängig erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Steuersignale für die verschiedenen Stellglieder (9) abhängig erzeugt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wenn zwischen den Teilen (3,5) zusätzliche passive Verbindungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß:
- außerdem die physikalische Größe an jeder zusätzlichen passiven Verbindung (16) gemessen wird und
- die abhängigen Steuersignale für jedes Stellglied (9) erzeugt werden, indem eine kontinuierliche automatische Minimierung des Leistungskriteriums PI angewendet wird, dessen Formel lautet:
in der sind:
N = Anzahl der Stellglieder und der entsprechenden Messungen,
M = Anzahl der Messungen an den zusätzlichen passiven Verbindungen,
εkf = harmonische Komponente der physikalischen Größe,
p = Anzahl der auszufilternden harmonischen Komponenten,
a = Matrix zum Wichten der Wirkung jedes Verbindungselements.
9. Elastische Verbindungsvorrichtung zwischen zwei Teilen (3,5), um zwischen denselben die statischen Kräfte in der Achse der Vorrichtung zu übertragen und gleichzeitig die zwischen denselben übertragenen entsprechenden koaxialen Schwingungserregungen auszufiltern, mit:
- mindestens einem Verbindungselement (7) zwischen den Teilen (3,5) mit einem Organ (8) zur Übertragung der statischen Kraft zwischen den Teilen (3,5) und einem dem Übertragungsorgan (8) zugeordneten Stellglied (9);
- mindestens einem Mittel (10) zur Messung einer physikalischen Größe, die für die Schwingungserregungen repräsentativ ist, die von einem zum anderen Teil übertragen werden, und entsprechende erste Signale abgeben kann, und
- elektronischen Mitteln (12) zur Verarbeitung der ersten Signale in zweite Steuersignale für das Stellglied (9);
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel (10) am Übertragungsorgan (8) des Verbindungselements (7) angeordnet ist und die axiale Verformung des Organs (8) mißt, und dadurch, daß durch die Verarbeitungsmittel (12) die statische Kraft und die Schwingungserregungen entkoppelt werden, so daß die zweiten Steuersignale das Stellglied so steuern, daß dieses den Schwingungserregungen genau entgegenwirkt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, mit einer Vielzahl von Verbindungselementen (7) zwischen den Teilen (3,5) und einer Vielzahl von Meßmitteln (10), dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der Verbindungselemente (7) ein Meßmittel (10) angebracht ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Meßmittel (10) ein Dehnungsmeßstreifen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein doppeltwirkender Zylinder (9) ist, der parallel zum Verbindungsorgan (8) angeordnet ist und von einem Magnetventil (14) gesteuert wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Verarbeitungsmittel (12) Analysemittel haben, um in jedem Verbindungselement (7) die harmonische Komponente oder harmonischen Komponenten der Schwingungserregungen zu ermitteln, denen das entsprechende Stellglied (9) entgegenwirken soll.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysemittel eine Zeitanalyse in Echtzeit durch digitale oder analoge Bandpaßfilterung ausführen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysemittel eine Fourier-Analyse ausführen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, in der zwischen den Teilen (3,5) zusätzliche passive Verbindungen (16) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel zur Messung der physikalischen Größe an den zusätzlichen passiven Verbindungen (16) angebracht sind, und dadurch, daß die abhängigen Steuersignale jedes Stellglieds (9) durch kontinuierliche automatische Minimierung des Leistungskriteriums PI erzeugt werden, dessen Formel lautet:
in der sind:
N = Anzahl der Stellglieder und der entsprechenden Messungen,
M = Anzahl der Messungen an den zusätzlichen passiven Verbindungen,
εkf = harmonische Komponente der physikalischen Größe,
p = Anzahl der auszufilternden harmonischen Komponenten,
a = Matrix zum Wichten der Wirkung jedes Verbindungselements.
17. Drehflügler, insbesondere Hubschrauber, mit einem Hauptauftriebsrotor (2), der durch ein Hauptgetriebe (3), an dem sich ein Rumpf (5) befindet und an das die Antriebskraft gelangt, angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 9 bis 16 hat, deren Verbindungselemente (7) zwischen dem Hauptgetriebe (3) und dem Rumpf (5) angeordnet sind.
18. Drehflügler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mindestens drei sogenannte Verbindungselemente (7) hat, die zwischen dem oberen Teil des Hauptgetriebes (3) und der oberen Struktur des Rumpfes (5) entsprechend den Kanten eines Achsenkreuzes angeordnet sind, dessen Scheitelpunkt an der Achse (X-X) des Hauptauftriebsrotors (2) liegt.
19. Drehflügler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden des Hauptgetriebes (3) und der oberen Struktur des Rumpfes (5) mindestens drei weitere Verbindungselemente (7) tangential zum Boden des Hauptgetriebes (3) und im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind.
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