ES2317268T3 - Interfaz con desviacion de empuje para la amortiguacion de oscilaciones mecanicas. - Google Patents
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Abstract
Interfaz para el control, en particular para la amortiguación, de oscilaciones mecánicas, con a) un elemento de conexión de base (110); b) un elemento de conexión de carga (112); c) al menos un sistema de conversión de energía (114, 116; 410, 416) que se extiende entre el elemento de conexión de base (110) y el elemento de conexión de carga (112) conformado como sistema actuador; c1) en el que el sistema de conversión de energía (114, 116; 410, 416) conformado como sistema actuador presenta una dirección predominante; d) al menos un elemento de pretensión (118) elástico que se extiende entre el elemento de conexión de base (110) y el elemento de conexión de carga (112); d1) en el que el elemento de pretensión (118) ejerce una precarga mecánica sobre el sistema de conversión de energía (114, 116; 410, 416) conformado como sistema actuador; e) al menos un elemento de derivación de empuje (120) que se extiende entre el elemento de conexión de base (110) y el elemento de conexión de carga (112); caracterizado porque d2) en el que el elemento de pretensión (118) está conformado como tubo elástico que rodea el al menos un sistema de conversión de energía (114, 116; 410, 416) conformado como sistema actuador; e1) en el que el elemento de derivación de empuje presenta un elemento (122) bidimensional dispuesto en ángulo recto respecto a la dirección predominante, en particular una membrana o un muelle laminado; e2) en el que el elemento de conexión de base (110) está unido a través de al menos una unión (126; 210) con al menos una primera región de ataque (212) en el elemento (122) bidimensional; e3) en el que el elemento de conexión de carga (112) está unido a través de al menos una segunda unión (124; 214) con al menos una segunda región de ataque (216) en el elemento (122) bidimensional; y e4) en el que las regiones de ataque (212, 216) del elemento de conexión de base (110) y del elemento de conexión de carga (112) no coinciden en el elemento (122) bidimensional.
Description
Interfaz con desviación de empuje para la
amortiguación de oscilaciones mecánicas.
La invención se refiere a un dispositivo para el
control, en particular para la amortiguación o reducción de
oscilaciones mecánicas mediante uno o varios sistemas de conversión
de energía. Este tipo de interfaces sirven, por ejemplo, para la
amortiguación de oscilaciones en el campo de la construcción general
de máquinas, la técnica de automóviles, la ingeniería civil o la
técnica aeronáutica.
En las máquinas, vehículos y otros grupos
constructivos similares se originan, por ejemplo, mediante el
funcionamiento de grupos (por ejemplo grupos para la generación de
corriente) o mediante otro tipo de condiciones externas,
perturbaciones mecánicas dinámicas generadas en forma de
oscilaciones. Las frecuencias de estas oscilaciones alcanzan hasta
la región de mayor frecuencia acústica estructural y causan
localmente en el lugar de la originación de la perturbación o de la
introducción de la perturbación o, después de la transmisión a
través de circuitos de carga mecánica efectos dinámicos y/o
acústicos indeseados remotos. Como consecuencia se producen pérdidas
de confort, problemas de seguridad, daños en los componentes como
consecuencia de fatiga estructural, menor vida útil,
funcionalidades reducidas, etc.
Para el control (por ejemplo, amortiguación o
aislamiento) de oscilaciones mecánicas se emplea habitualmente la
denominada amortiguación de material, en la que la energía mecánica
de la oscilación se convierte directamente en energía térmica.
Ejemplos de esto son los sistemas de amortiguación elásticos o
viscoelásticos.
Adicionalmente, cada vez se emplean más medidas
que se basan en otros sistemas de conversión de energía. Estos
sistemas de conversión de energía convierten, por regla general,
energía mecánica en energía eléctrica y a la inversa. Los dos
efectos se emplean para el control (en particular para la
amortiguación) de oscilaciones mecánicas. En este caso se
diferencia, por regla general, entre sistemas activos,
semi-activos o semi-pasivos y
pasivos.
En los controles de oscilación pasivos y
semi-activos o semi-pasivos se
convierte la energía mecánica de las oscilaciones con la ayuda de
un convertidor de energía eléctrico-mecánico (por
ejemplo, una cerámica piezoeléctrica) en primer lugar en energía
eléctrica. Esta energía eléctrica se disipa entonce sen el caso de
la amortiguación de oscilaciones pasiva en un circuito eléctrico
pasivo (por ejemplo una resistencia óhmica), es decir, en energía
térmica, o bien, en el caso de la amortiguación de oscilaciones
semi-activa o semi-pasiva, se desvía
con la ayuda de un circuito eléctrico que presenta una fuente de
energía eléctrica externa (por ejemplo un amortiguador de masa
resonante). Este tipo de sistemas se describen, por ejemplo, en N.W.
Hagood y A. von Flotow: Damping of Structural Vibrations with
Piezoelectric Materials and Passive Electrical Networks, Journal of
Sound and Vibration 146 (2), 243 (1991).
En el caso del control de oscilaciones activo se
conecta entre una fuente de perturbaciones (parte de la base) y una
parte de conexión un sistema actuador. Como "actuador" se
designa en este contexto un convertidor de energía que puede
convertir, por ejemplo, señales eléctricas en movimientos mecánicos,
por ejemplo un actuador piezoeléctrico, un actuador
magnetoestrictivo o también un actuador neumático convencional. Es
decisivo el hecho de que la característica (por ejemplo extensión)
de los actuadores se pueda modificar de modo controlado por medio
de una señal de control. Un ejemplo de un sistema para el control
activo de oscilaciones con la ayuda de elementos actuadores se da a
conocer en el documento US 5,660,255. Entre una carcasa base y una
carga útil que ha de ser aislada se introducen elementos
actuadores, así como una pequeña masa adicional. En la pequeña masa
están colocados sensores que registran el desplazamiento de la
pequeña masa. A partir del desplazamiento, con la ayuda de una
regulación electrónica y una fuente de energía electrónica se genera
una señal de regulación para los elementos actuadores. Los
elementos actuadores se controlan de tal manera que el movimiento de
oscilación se elimina en su mayor parte en el lugar de la carga
útil.
Además del uso para el control de oscilaciones
activo, pasivo y semi-activo o bien
semi-pasivo, los convertidores de energía
eléctrico-mecánicos también se pueden usar
habitualmente al mismo tiempo como elementos de regulación para el
posicionamiento mecánico de una carga útil. Esto se puede realizar,
por ejemplo por medio de que se integre una disposición en forma
anular de un gran número de actuadores en un interfaz que reduzca
las oscilaciones, que puede ocasionar, por ejemplo, un ladeo
orientado de una estructura respecto a una base. Un sistema de este
tipo se da a conocer, por ejemplo, en el documento DE 195 27 514
C2.
Por razones constructivas o mecánicas
estructurales, los sistemas de actuadores se operan en la práctica
habitualmente con una precarga que ha de evitar daños.
Habitualmente se trata en este caso de una precarga mecánica en
forma de una carga por compresión o carga por tracción sobre el
sistema actuador. En el caso de actuadores piezoeléctricos, por
ejemplo, en los que una extensión más allá de la longitud de reposo
(es decir, la longitud del actuador sin tensión eléctrica
solicitada) llevaría a daños mecánicos del actuador, una operación
sin pretensión no es lógica en la práctica, o bien no es posible.
La realización constructiva de un dispositivo para ejercer una
pretensión representa, sin embargo, en el actuador o en los
actuadores, el problema de que su dirección de extensión se
extiende paralela a la fuerza ejercida por la carga útil (por
ejemplo el peso), y con ello habitualmente tiene un efecto negativo
sobre la eficacia del actuador. En el documento US 5,660,255 no se
da a conocer ninguna solución satisfactoria de este problema.
En el documento DE 195 27 514 C2 se da a conocer
un interfaz para la reducción de oscilaciones en sistemas dinámicos
estructurales, en el que se realiza un aislamiento de oscilación
entre un componente de la parte de la estructura y un componente de
la parte de la base por medio de un gran número de actuadores que
presentan una dirección principal. Una pretensión por compresión en
los actuadores se garantiza por medio de tornillos de extensión
entre el componente de la parte de la base y el componente de la
parte de la estructura.
Una unión mecánica rígida de este tipo entre el
componente de la parte de la base y el componente de la parte de la
estructura tiene, sin embargo, la desventaja, de que a través de
ello se crea un puente a través del que se pueden propagar las
oscilaciones desde una fuente de perturbaciones en la parte de la
base al componente de la parte de la estructura. Además, los
actuadores están protegidos sólo de modo insuficiente contra cargas
transversales perpendiculares a su dirección principal (empuje).
Esto puede llevar fácilmente a daños de los actuadores sensibles.
Además, esta solución significa un influjo, al menos una reducción,
de la efectividad del actuador como consecuencia de una pérdida de
extensión condicionada por la rigidez.
El objetivo de la invención es proporcionar un
dispositivo mejorado para el control, en particular para la
amortiguación, de oscilaciones mecánicas mediante uno o varios
sistemas de conversión de energía. En este caso, los sistemas de
conversión de energía han de presentar una dirección predominante y
se han de emplear de tal manera que estén protegidos contra cargas
mecánicas fuera de la dirección predominante de actuación, en
particular perpendicularmente a esta dirección predominante.
Este objetivo se consigue mediante la invención
con las características de la reivindicación independiente. Las
variantes ventajosas de la invención están caracterizadas en las
reivindicaciones subordinadas.
Se propone un interfaz para el control, en
particular para la amortiguación, de oscilaciones mecánicas, que
presenta un elemento de conexión de base, un elemento de conexión de
carga, así como al menos un sistema de conversión de energía. El
sistema de conversión de energía se extiende entre el elemento de
conexión de base y el elemento de conexión de carga, y presenta una
dirección predominante.
Además, entre el elemento de conexión de base y
el elemento de conexión de carga se extienden al menos un elemento
de pretensión y un elemento de derivación de empuje. El elemento de
pretensión ejerce una precarga mecánica sobre el sistema de
conversión de energía. El elemento de derivación de empuje presenta
un elemento bidimensional dispuesto fundamentalmente formando un
ángulo recto con la dirección predominante, en particular una
membrana o un muelle laminado. El elemento de conexión de base está
unido por medio de al menos una primera unión con al menos una
región de ataque con el elemento bidimensional. El elemento de
conexión de carga está unido por medio de al menos una segunda
unión con al menos una segunda región de ataque con el elemento
bidimensional. Las regiones de ataque del elemento de conexión de
base y del elemento de conexión de carga no han de coincidir.
Por interfaz se ha de entender en este caso un
módulo que se puede integrar sin gran coste constructivo, por
ejemplo en el circuito de carga de máquinas, vehículos y grupos
constructivos similares. El interfaz se puede practicar en
estructuras mecánicas
- como elemento de apoyo,
- como elemento de transmisión modular y/o
- como elemento de regulación.
Para esta finalidad, el elemento de conexión de
carga y el elemento de conexión de base pueden estar provistos, por
ejemplo, de dispositivos estándar (por ejemplo roscas interiores y/o
exteriores, bridas, etc.) para la conexión de otros elementos. El
interfaz sirve para aislar fuentes de perturbaciones en la parte de
la base de elementos conectados en la parte de la carga.
Por sistema de conversión de energía se entiende
en este caso un sistema que presenta al menos un conversor de
energía. Dependiendo de la aplicación y requerimientos, estos
conversores de energía pueden estar basados en diferentes
principios físicos. Se han acreditado como especialmente ventajosos,
en particular, los actuadores piezoeléctricos. Sin embargo, también
se pueden emplear de modo ventajoso actuadores que se basan en las
denominadas aleaciones con memoria de forma, así como actuadores
magnetoestrictivos o electroestrictivos, neumáticos o hidráulicos,
actuadores de líquido magnetorreológico o electrorreológico y
elementos de amortiguación. También son posibles combinaciones de
diferentes sistemas de conversión de energía, por ejemplo la
combinación (por ejemplo un circuito en serie o en paralelo) de un
actuador piezoeléctrico con un sistema de amortiguación
"convencional", como por ejemplo un sistema de resorte -
amortiguador de goma.
También se pueden compensar oscilaciones en
diferentes intervalos de frecuencia por medio de la combinación de
diferentes principios de actuación, es decir, por ejemplo,
oscilaciones de alta frecuencia por medio de amortiguación activa o
pasiva por medio de actuadores piezoeléctricos, oscilaciones de baja
frecuencia por medio de elementos amortiguadores convencionales
(por ejemplo amortiguadores viscoelásticos).
Los sistemas de conversión de energía han de
presentar una dirección predominante que habitualmente también se
designa como dirección principal de los sistemas de conversión de
energía. Esto se puede realizar, por ejemplo, gracias al hecho de
que varios actuadores, por ejemplo actuadores piezoeléctricos, se
empleen con una dirección de acción común. Sin embargo, esto no
significa necesariamente que el interfaz presente únicamente un
grado de libertad para la amortiguación de oscilaciones. Por medio
de un control o una extensión desigual de los actuadores
piezoeléctricos individuales se puede conseguir una inversión del
elemento de conexión de carga en relación al elemento de conexión
de base, gracias a lo cual no sólo se puede controlar o compensar
(en particular amortiguar) oscilaciones puramente de translación del
elemento de conexión de carga, sino, por ejemplo, también
oscilaciones de relajación o oscilaciones de giro.
Por medio del elemento de pretensión se ejerce
una precarga sobre el al menos un sistema de conversión de energía.
En el caso de esta precarga se puede tratar, por ejemplo, de una
carga mecánica de compresión o de tracción. Opcionalmente también
es posible una operación con la precarga cero, es decir, una
operación en la que no se ejerce ninguna fuerza condicionada por la
precarga sobre los sistemas de conversión de energía.
Opcionalmente, esta precarga (también la precarga cero) se puede
combinar, por ejemplo, con una precarga eléctrica o
electromecánica. El elemento de precarga puede ser elástico o
inelástico. La precarga se puede ejercer directamente o
indirectamente sobre los sistemas de conversión de energía, es
decir, por ejemplo también indirectamente por medio de un sistema
de resorte adicional.
Se ha acreditado como especialmente ventajoso el
hecho de que el elemento de pretensión presente un tubo que rodee
el sistema de conversión de energía. En este caso se puede tratar,
por ejemplo, de un tubo hecho de un material elástico, por ejemplo
un plástico termoplástico o un elastómero, que está unido en un
extremo fijamente con el elemento de conexión base y en el otro
extremo fijamente con el elemento de conexión de carga, y que
ejerce, por ejemplo una pretensión de presión sobre el al menos un
sistema de conversión de energía. El tubo no ha de estar cerrado
completamente necesariamente, sino que también puede presentar, por
ejemplo, ranuras u otras aberturas. La sección transversal del tubo
puede variar, por ejemplo puede ser redonda o rectangular. El tubo
protege el sistema de conversión de energía de influencias
exteriores y de cargas mecánicas. Para la pared del tubo es posible
el empleo de materiales isótropos y anisótropos.
En muchos casos, los sistemas para el control de
oscilaciones están sometidos al mismo tiempo a elevadas cargas, por
ejemplo por medio de fuerzas de cizallamiento. En este caso se trata
de cargas fuera de la dirección predominante (en particular,
perpendicularmente a ésta) del sistema de conversión de energía, es
decir, por ejemplo, perpendiculares a la dirección predominante de
los actuadores. Este tipo de cargas llevan fácilmente a daños de los
sistemas de conversión de energía, por ejemplo a roturas de los
actuadores piezoeléctricos sensibles.
El interfaz propuesto presenta, debido a ello,
el elemento de derivación de empuje para la protección de los
sistemas de conversión de energía. Este elemento de derivación de
empuje ha de presentar en la dirección predominante del sistema de
conversión de energía en la región de trabajo del interfaz una
rigidez reducida, en al menos una dirección perpendicular a la
dirección predominante ha de presentar, por el contrario, una
elevada rigidez.
El elemento bidimensional ha de ser
fundamentalmente bidimensional, si bien en la práctica ha de
presentar siempre un cierto grosor. Esto se consigue, por ejemplo,
por medio del empleo de una membrana o muelle laminado. Esta
membrana o muelle laminado puede ser plano o también curvado, y
puede estar hecho, por ejemplo, de una chapa para láminas de
contacto delgada (por ejemplo con una relación entre extensión
lateral y grosor de 100:1), y puede presentar, por ejemplo, la
forma de una tira o de un disco redondo o poligonal, o bien de una
placa delgada.
La orientación de la membrana o del muelle
laminado puede tener un valor preciso de 90º respecto a la dirección
predominante de los sistemas de conversión de energía, si bien
también se puede desviar ligeramente (ventajosamente, no más de un
20º) respecto al ángulo recto.
La membrana o el muelle laminado han de estar
unidos con el elemento de conexión de base y el elemento de
conexión de carga. Esta unión se puede realizar o bien directamente,
por ejemplo por medio de pegado, atornillado o soldado de la
membrana o del muelle laminado con el elemento de conexión de carga
o de base, o bien se pueden emplear elementos de unión se parados
(por ejemplo piezas de distanciamiento) entre el elemento de
conexión de carga y de base y las regiones de ataque en la membrana
o en el muelle laminado. La unión no ha de ser necesariamente
rígida, sino que también se puede realizar, por ejemplo, por medio
de una guía móvil en la dirección predominante.
Las regiones de ataque de las uniones entre el
elemento de conexión de carga y la membrana o el muelle laminado,
sin embargo, no han de coincidir, es decir, al menos no han de ser
congruentes. Esto garantiza que las fuerzas ejercidas desde el
elemento de conexión de base sobre la membrana o el muelle laminado
y desde el elemento de conexión de carga sobre la membrana o el
muelle laminado no atacan en la misma región de la membrana.
Gracias a esto se garantiza que el elemento de
conexión de carga y el elemento de conexión de base están acoplados
a través del elemento de derivación de empuje en la dirección
predominante de los sistemas de conversión de energía a través de
la membrana flexible o del muelle laminado de modo "flexible".
Perpendicularmente a la dirección predominante de los sistemas de
conversión de energía se realiza, sin embargo, como consecuencia de
la elevada rigidez de la membrana a lo largo de su extensión
superficial un acoplamiento "rígido". En otras palabras, para
reducir o incrementar la distancia entre el elemento de conexión de
carga y el elemento de conexión de base se requiere una fuerza
considerablemente más reducida que para un cizallamiento (movimiento
paralelo) del elemento de conexión de carga relativo al elemento de
conexión de base. Como consecuencia de la flexibilidad (menor
constante elástica) de la membrana perpendicularmente a su extensión
superficial es posible fácilmente una modificación de la distancia
del elemento de conexión de carga relativa al elemento de conexión
de base, es decir, sin un gasto de energía elevado. Un movimiento
transversal (cizallamiento) paralelo a la extensión superficial de
la membrana, sin embargo, como consecuencia de la elevada rigidez de
la membrana o del muelle laminado, sólo es posible a lo largo de su
extensión superficial con un gasto de energía considerable
(constante elástica elevada). Los sistema de conversión de energía,
así pues, pueden desplegar su efecto a lo largo de su dirección
predominante de modo óptimo y pueden controlar oscilaciones en esta
dirección, en particular amortiguarlas, si bien están protegidos
perpendicularmente a esta dirección por medio de la membrana o
muelle laminado del elemento de derivación de empuje frente a cargas
mecánicas. Al mismo tiempo, por medio del elemento de derivación de
empuje, como consecuencia de la reducida rigidez de la membrana o
del muelle laminado en la dirección predominante de los sistemas de
conversión de energía, no se abre ningún circuito de carga nuevo
característico, es decir, una unión mecánica rígida, a través de la
que se propagan perturbaciones (por ejemplo vibraciones) desde el
elemento de conexión de base al elemento de conexión de carga.
En una configuración constructiva ventajosa del
interfaz, el elemento de derivación de empuje se puede usar al
mismo tiempo para ejercer una precarga sobre el o los sistemas de
conversión de energía. El elemento de derivación de empuje, así
pues, en este caso es idéntico que el elemento de pretensión, o bien
es una parte del elemento de pretensión, o a la inversa. Esto puede
llevar a una reducción del número de piezas, y con ello a una
reducción del peso y de los costes de fabricación del interfaz.
En muchos casos, como se ha mencionado
anteriormente, se usan interfaces no sólo para el control de
vibraciones, sino también al mismo tiempo como elementos de
regulación para el posicionamiento mecánico de cargas. En este caso
juega un papel importante la carrera máxima del interfaz, es decir,
por ejemplo, la variación de distancia relativa máxima entre el
elemento de conexión de base y el elemento de conexión de carga. Por
reglar general, sin embargo, lo cierto es que la variación
longitudinal relativa de los sistemas de conversión de energía, en
particular de actuadores piezoeléctricos, depende de la longitud de
construcción. Para conseguir una mayor carrera, así pues, se
requieren sistemas de conversión de energía con mayor longitud
constructiva, lo que, sin embargo, lleva a un tamaño total elevado
del interfaz.
En otra configuración ventajosa de la invención,
debido a esto, el sistema de conversión de energía presenta al
menos dos sistemas parciales, estando dispuestos los dos sistemas
parciales de modo "solapado". Para esta finalidad se introduce
entre el elemento de conexión de base y el elemento de conexión de
carga un elemento de acoplamiento. Un primer sistema parcial se
extiende entre el elemento de conexión de base y el elemento de
acoplamiento, un segundo sistema parcial se extiende entre el
elemento de acoplamiento y el elemento de conexión de carga. El
elemento de acoplamiento, en este caso, puede estar configurado de
modo no plano, de manera que los sistemas parciales individuales se
solapen parcialmente en su dirección predominante. De esta manera
se puede reducir el tamaño constructivo del interfaz sin que por
medio de ello se reduzca la carrera del interfaz. Este principio
del elemento de acoplamiento también se puede continuar haciendo,
que, por ejemplo, se introduzcan dos elementos de acoplamiento y
tres sistemas parciales individuales, etc. De nuevo, los sistemas
parciales han de estar dispuestos de modo solapado, de manera que
aumente la carrera total del interfaz sin que aumente de un modo
significativo la longitud constructiva.
De modo ventajoso se fija la posición del
elemento de acoplamiento relativa a un eje paralelo a la dirección
predominante del sistema de conversión de la energía. Esto se puede
realizar por medio de un elemento de centrado adicional. En este
caso se puede tratar, por ejemplo, de otra membrana que está
orientada perpendicularmente a la dirección predominante y que está
unida en diferentes regiones de ataque con el elemento de conexión
de base o con el elemento de conexión de carga. Este elemento de
centrado evita que el elemento de acoplamiento modifique su
posición (por ejemplo como consecuencia de tolerancias de
fabricación mecánicas) perpendicularmente a la dirección
predominante del sistema de conversión de energía, y gracias a ello
ejerza una fuerza de cizallamiento sobre el sistema de conversión
de energía.
El interfaz descrito en una de sus
configuraciones puede estar provisto además de un circuito
electrónico para la reducción de oscilaciones activa, pasiva o
semi-activa o semi-pasiva. Esto se
puede realizar de diferentes maneras. Para un control de
oscilaciones activo se emplean de modo ventajoso actuadores como
sistemas de conversión de energía. Pueden estar unidos uno o varios
sensores con el interfaz (por ejemplo con el elemento de conexión
de carga). En este caso se puede tratar de sensores para la
determinación de, por ejemplo, recorrido, velocidad, aceleración o
fuerza, en particular de sensores de aceleración o de fuerza
capacitivos o piezoeléctricos, o de sensores de posición o de
velocidad magnéticos, electrostáticos o interferométricos.
Las señales de los sensores son puestas a
disposición, por ejemplo, de una electrónica de regulación. La
electrónica de regulación genera a partir de las señales de los
sensores señales de control (función objetivo) que pueden ser
convertidas por medio de un suministro de energía en señales de
regulación para los sistemas de actuadores. Por medio de estas
señales de regulación se excitan los sistemas de actuadores para
formar oscilaciones que, por ejemplo tienen la fase opuesta a las
oscilaciones que han de ser aisladas, y eliminan o amortiguan éstas
en el lugar de la carga.
Para una reducción de oscilaciones pasiva o
semi-activa o bien semi-pasiva se
pueden emplear, por ejemplo, sistemas de conversión de energía, que
están configurador total o parcialmente de tal manera que convierten
energía mecánica en energía eléctrica. Esta energía eléctrica se
disipa entonces con la ayuda de un circuito electrónico, o se
utiliza de otra manera. En el caso más sencillo, este circuito
electrónico está formado por una resistencia óhmica en la que la
energía eléctrica se disipa, al menos parcialmente, en forma de
calor.
Una amortiguación de oscilaciones todavía más
eficiente se puede conseguir por medio del empleo adicional de una
o varias bobinas y/o de uno o varios condensadores (circuito
oscilante eléctrico amortiguado), o de las denominadas
"inductividades sintéticas". Las inductividades sintéticas, por
regla general, están formadas por una combinación de varias
resistencias óhmicas con uno o varios amplificadores operacionales.
De este modo se pueden conseguir mayores inductividades que con
bobinas convencionales. Gracias a ello se incrementa la
amortiguación del circuito oscilante. Esta técnica se describe, por
ejemplo, en D. Mayer, Cilindro de huecograbado. Linz, y V.
Krajenski: Synthetische Induktivitäten für die
semi-passive Dämpfung, 5. Magdeburger
Maschinenbautage, 2001.
La eficiencia de la amortiguación de
oscilaciones se puede incrementar aún más haciendo para ello que
varios de los interfaces descritos anteriormente se conecten en
cascadas uno tras otro en una de las configuraciones y conexiones
descritas. En este caso, el elemento de conexión de base del
siguiente interfaz se une con el elemento de conexión de carga del
interfaz previo. Esto se puede realizar de tal manera que las
direcciones predominantes de los siguientes interfaces estén
orientadas paralelas a la dirección predominante del interfaz
previo, respectivamente. Sin embargo, también son posibles
orientaciones perpendiculares a la dirección predominante o en
otras direcciones espaciales. Para esta finalidad se puede fijar,
por ejemplo, en el elemento de conexión de carga de un interfaz un
ángulo de montaje rectangular en el que, a su vez, se pueda fijar el
elemento de conexión de base de un segundo interfaz que está a
continuación. De esta manera se pueden controlar, por ejemplo,
oscilaciones en diferentes direcciones espaciales.
A continuación se explica la invención con más
detalle a partir de ejemplos de realización que están representados
de modo esquemático en las figuras. La invención, sin embargo, no
está limitada a los ejemplos. Las mismas cifras de referencia en
las figuras individuales designan en este caso elementos iguales o
funcionalmente iguales o bien correspondientes entre ellos por lo
que se refiere a sus funciones. En particular, se muestra:
Fig. 1 una vista lateral de una primera forma de
realización de un interfaz para la amortiguación de oscilaciones
mecánicas con un sistema actuador piezoeléctrico individual y una
membrana para la derivación de empuje;
Fig. 2 un diagrama esquemático relativo al
efecto de fuerzas paralelas y perpendiculares respecto a la
dirección predominante de los sistemas de conversión de energía
sobre una membrana;
Fig. 3 una vista lateral de una segunda forma de
realización de un interfaz para la amortiguación de oscilaciones
mecánicas con dos sistemas de actuadores piezoeléctricos
individuales y una membrana para la derivación de empuje;
Fig. 4 una representación despiezada del
interfaz representado en la Fig. 3; y
Fig. 5 una tercera forma de realización de un
interfaz con una membrana para la derivación de empuje en una
representación parcial en perspectiva con un segmento
seccionado.
La Fig. 1 muestra una primera forma de
realización de un interfaz para el control (en particular
amortiguación) de oscilaciones mecánicas con sección transversal
cilíndrica. El interfaz presenta un elemento de conexión de base
110 y un elemento de conexión de carga 112, los dos en forma de un
disco redondo plano. Entre el elemento de conexión de base 110 y el
elemento de conexión de carga 112 se extiende un sistema actuador
114, 116 piezoeléctrico. El elemento de conexión de base 110 y el
elemento de conexión de carga 112 están unidos por medio de un
elemento de pretensión 118 en forma de tubo hecho de PVC, que
ejerce una presión (precarga) sobre el sistema actuador 114, 116
piezoeléctrico. Adicionalmente, el elemento de conexión de base 110
está unido con el elemento de conexión de carga 112 por medio de un
elemento de derivación de empuje 120. El elemento de derivación de
empuje 120 presenta una membrana 122 en forma de un disco en forma
circular, delgado, trabajado a partir de chapa para láminas de
contacto. A lo largo de su contorno, esta membrana 122 está unida
por medio de un elemento de unión 124 en forma de anillo circular
con el elemento de conexión de carga 112. El centro de la membrana
122 está unido por medio de un segundo elemento de unión 126 en
forma de cilindro con un módulo de empuje elevado en el
cizallamiento en la dirección perpendicular el eje y con el elemento
de conexión de base 110.
Por medio del elemento de derivación de empuje
120 descrito se protege el sistema actuador 114, 116 piezoeléctrico
de efectos de fuerzas perpendiculares a su dirección predominante
(dirección y en la Fig. 1). La membrana 122 presenta en la
dirección y una elevada flexibilidad, si bien presenta
perpendicularmente a ésta (por ejemplo en dirección x), una elevada
rigidez.
Los actuadores 114, 116 piezoeléctricos se
tienen bajo pretensión constante por medio de elemento de pretensión
118, que está ajustado de tal manera que los actuadores 114, 116
piezoeléctricos, dependiendo del tipo constructivo, trabajan de
modo óptimo y están protegidos frente al alargamiento de rotura. El
elemento de pretensión 118 está configurado en forma de tubo y
rodea el sistema actuador 114, 116 piezoeléctrico completamente,
gracias a lo cual puede ir a parar una humedad o suciedad al
sistema actuador 114, 116 piezoeléctrico. Adicionalmente, el
sistema actuador 114, 116 piezoeléctrico está protegido contra
efectos mecánicos directos, por ejemplo contra golpes.
Alternativamente, sin embargo, también se puede
prescindir del elemento pretensor 118 en forma de tubo. En este
caso (no representado), el elemento de derivación de empuje 120 se
hace cargo al mismo tiempo del objetivo de la pretensión de los
actuadores 114, 116 piezoeléctricos. La longitud del elemento de
unión 126 se ajusta entonces de tal manera (por ejemplo por medio
de un recorte correspondiente), que la longitud del elemento de
derivación de empuje 120 en el estado de reposo es menor que la
longitud de los actuadores 114, 116 piezoeléctricos. Gracias a ello
se ejerce una presión sobre los actuadores 114, 116
piezoeléctricos.
La disposición representada en la Fig. 1 está
muy bien indicada para aislar oscilaciones en el elemento de
conexión de base 110 en la dirección y (por ejemplo ocasionadas por
medio de una fuente de perturbaciones en la parte de la base)
respecto al elemento de conexión de carga 112. Para esta finalidad,
por ejemplo, se puede emplear el principio de la reducción activa
de oscilaciones, que está representado, muy simplificado, en la
Fig. 1: un sensor de aceleración 128 en el elemento de conexión de
carga 112 está unido con una electrónica de regulación 130
(representada de modo esquemática), que convierte una señal de
oscilación generada por el sensor de aceleración 128 en una señal
de regulación para el sistema actuador piezoeléctrico 114, 116. Esta
señal de regulación se convierte a continuación por medio de una
electrónica de amplificación 132 en una señal de tensión
correspondiente, y se suministra al sistema de actuador 114, 116
piezoeléctrico. De este modo, por medio del sistema actuador 114,
116 piezoeléctrico se pueden generar en el sistema de conexión de
carga 112 oscilaciones que se solapan de modo destructivo con las
oscilaciones transmitidas desde el elemento de conexión de base
110, y eliminan las oscilaciones del elemento de conexión de carga
en su conjunto en el caso ideal.
En caso de que se empleen varios sensores de
aceleración 128, entonces se pueden eliminar de modo similar, por
ejemplo, también oscilaciones de relajación. Para esta finalidad se
requiere que los actuadores 114, 116 piezoeléctricos se controlen
de modo diferente eléctricamente, y con ello se extiendan de modo
diferente. El elemento de conexión de carga 112 se invierte
entonces de modo relativo al elemento de conexión de base 110, y
con un control correspondiente puede realizar una oscilación de
relajación que elimine, por ejemplo, una oscilación de relajación
de fase opuesta del elemento de conexión de base 110. De modo
correspondiente se pueden eliminar, cuando están dispuestos otros
actuadores piezoeléctricos en forma de anillo alrededor de un eje
de simetría 134, oscilaciones de giro o mutaciones.
En una forma de realización alternativa (no
representada) se puede tomar también la tensión entre extremos
opuestos de un actuador 114, 116 piezoeléctrico, y usarla para la
amortiguación pasiva de oscilaciones. En caso de que el elemento de
conexión de carga 112 oscile en relación al elemento de conexión de
base 110, entonces el actuador piezoeléctrico convierte la energía
de oscilación mecánica en una señal de tensión eléctrica, y la
tensión entre los extremos opuestos del actuador 114, 116
piezoeléctrico varía de modo periódico. En caso de que se
suministre esta tensión a un circuito oscilante eléctrico
amortiguado, entonces se amortigua la oscilación eléctrica, y se
extrae energía del sistema. Gracias a ello se amortigua la
oscilación entre el elemento de conexión de carga 112 y el elemento
de conexión de base 110. De modo correspondiente se puede usar la
energía eléctrica por medio de conexiones eléctricas apropiadas para
la carga de un dispositivo de almacenamiento de energía
eléctrica.
En la Fig. 2 está representado un diagrama
esquemático del modo de acción de una membrana 122 para la
derivación de cargas mecánicas críticas de los actuadores. La
membrana está unida por medio de un elemento de unión 210, que
ataque en una región de ataque 212 en la membrana 122, con el
elemento de conexión de base (no representado en la Fig. 2) de un
interfaz. Análogamente, la membrana 122 está unida a través de un
elemento de unión 214, que ataca en una región de ataque 216 en la
membrana 122, con el elemento de conexión de carga (igualmente, no
representado en la Fig. 2) del interfaz. Las regiones de ataque 212
y 216 están separadas entre ellas espacialmente.
La membrana 122 está dispuesta
perpendicularmente respecto a la dirección predominante de un
sistema de conversión de energía (igualmente, no representado en la
Fig. 2). En la Fig. 2 se designa esta dirección predominante como
dirección y. En caso de que a través del elemento de unión 210
respecto al elemento de conexión de base se realice un efecto de
fuerza con una fuerza 218 (simbolizada por medio de una flecha) en
la dirección predominante sobre la región de ataque 212 de la
membrana 122, entonces se desplaza esta región de ataque 212 como
consecuencia de la elevada flexibilidad de la membrana 122
perpendicularmente a su extensión superficial ligeramente en la
dirección y de modo relativo a la región de ataque 216 del elemento
de conexión de carga. Sin embargo, en el caso de que se realice un
efecto de fuerza por medio de una fuerza 220 en un plano
perpendicular a la dirección predominante (por ejemplo en la
dirección x), entonces la membrana 122 contrapone a este efecto de
fuerza una elevada resistencia mecánica. La región de ataque 212 del
elemento de conexión de base, debido a ello, se desplaza sólo de
modo insignificante en relación a la región de ataque 216 del
elemento de conexión de carga.
En la Fig. 3 (representación en sección) y en la
Fig. 4 (representación despiezada) está representado un interfaz en
forma de cilindro de modo correspondiente a un ejemplo de
realización preferido alternativo a la Fig. 1. El interfaz presenta
un elemento de conexión de base 110, un elemento de conexión de
carga 112, un elemento de pretensión en forma de tubo 118 (no
representado en la Fig. 4), y un elemento de derivación de empuje
120 con un elemento de unión 126 en forma de cilindro y una
membrana de metal 122 en forma circular. El modo de funcionamiento
de la derivación de empuje es idéntico al de la forma de realización
representada en la Fig. 1.
En esta forma de realización, sin embargo, el
sistema actuador piezoeléctrico está dividido en dos: Un primer
sistema actuador 410 piezoeléctrico formado por cuatro actuadores
dispuestos en forma circular alrededor del eje de simetría 134 se
extiende entre el elemento de conexión de base 110 y un elemento de
acoplamiento 412 dispuesto entre el elemento de conexión de base
110 y el elemento de conexión de carga 112. Este elemento de
acoplamiento 412 está configurado en forma de un anillo circular. En
la parte inferior plana del elemento de acoplamiento 412 están
practicados cuatro taladros ciegos 414 correspondientes abiertos
hacia el elemento de conexión de base 110, en los que se introducen
los actuadores piezoeléctricos del primer sistema actuador 410
piezoeléctrico.
Un segundo sistema actuador 416 piezoeléctrico
se extiende de modo correspondiente entre el elemento de conexión
de carga 112 y el elemento de acoplamiento 412. De nuevo, el segundo
sistema actuador 416 piezoeléctrico está formado por cuatro
actuadores piezoeléctricos individuales, que están dispuestos
simétricamente alrededor del eje de simetría 134, estando girado el
sistema actuador 416 piezoeléctrico 45º en relación a la disposición
del sistema actuador 410 piezoeléctrico. También el segundo sistema
actuador 416 piezoeléctrico está introducido parcialmente en
taladros ciegos 310 correspondientes abiertos hacia el elemento de
conexión de carga 112 en la superficie superior plana del elemento
de acoplamiento 412.
Puesto que los taladros ciegos 310 y 414 están
dispuestos girados 45 grados, respectivamente, el primer y el
segundo sistema actuador 410, 416 piezoeléctrico se solapan. La
distancia entre el elemento de conexión de base 110 y el elemento
de conexión de carga 112, así pues, es menor que la suma de la
longitud constructiva de un actuador piezoeléctrico del primer
sistema actuador 410 piezoeléctrico y la longitud constructiva de
un actuador piezoeléctrico del segundo sistema actuador 416
piezoeléctrico. Esto ocasiona que la carrera del interfaz, con la
distancia constante entre el elemento de conexión de base 110 y el
elemento de conexión de carga 112 esté incrementada en comparación
con un interfaz sin elemento de acoplamiento 412.
La fijación de la membrana 122 en el elemento de
conexión de carga 112 se realiza en este ejemplo de realización de
modo similar al ejemplo mostrado en la Fig. 1, habiéndose
prescindido, sin embargo, del elemento de unión 124 en forma de
anillo circular. En su lugar, en el elemento de conexión de carga
112 se ha practicado un fresado 312 plano, cilíndrico, por medio
del cual está sujeta la membrana 122. La membrana 122 está pegada a
lo largo de su borde con el elemento de conexión de carga 112.
En la Fig. 5 está representado en una
realización alternativa un interfaz para la amortiguación de
oscilaciones en una representación parcial en perspectiva con el
segmento seccionado. La construcción es fundamentalmente similar al
ejemplo representado en la Fig. 3 y la Fig. 4. Sin embargo, en esta
realización, el elemento de unión 126 del elemento de derivación de
empuje 120 está realizado como cilindro hueco. Esto ocasiona otro
ahorro de espacio, ya que en el espacio hueco del elemento de unión
126 se puede colocar, por ejemplo, una electrónica de regulación
(por ejemplo para el control de oscilación activo). La membrana 122
para la derivación de empuje está atornillada centralmente con el
elemento de unión 126.
Adicionalmente, en la Fig. 5 está representado
un elemento de centrado 510 en forma de otra membrana de metal en
forma circular. A lo largo de su contorno, esta membrana está pegada
con el elemento de acoplamiento 412 en forma de anillo circular. En
su centro, la membrana 510 está atornillada con el elemento de unión
126 respecto al elemento de conexión de base 110. La membrana evita
una variación de la posición del elemento de acoplamiento 412
respecto al elemento de unión 126 perpendicularmente a la dirección
predominante, si bien permite un desplazamiento del elemento de
acoplamiento 412 en la dirección predominante.
- 110
- Elemento de conexión de base
- 112
- Elemento de conexión de carga
- 114
- Actuador piezoeléctrico
- 116
- Actuador piezoeléctrico
- 118
- Elemento de pretensión
- 120
- elemento de derivación de empuje
- 122
- Membrana
- 124
- Elemento de unión
- 126
- Elemento de unión
- 128
- Sensor de aceleración
- 130
- Electrónica de regulación
- 132
- Electrónica de amplificación
- 134
- Eje de simetría
- 210
- Elemento de unión respecto al elemento de conexión de base 110
- 212
- Región de ataque del elemento de conexión de base 110
- 214
- elemento de unión respecto al elemento de conexión de carga 112
- 216
- Región de ataque del elemento de conexión de carga 112
- 218
- Fuerza paralela a la dirección predominante del sistema de conversión de energía
- 220
- Fuerza perpendicular a la dirección predominante del sistema de conversión de energía
- 310
- Taladros ciegos
- 312
- Fresado cilíndrico
- 410
- Primer sistema actuador piezoeléctrico
- 412
- Elemento de acoplamiento
- 414
- Taladros ciegos
- 416
- Segundo sistema actuador piezoeléctrico
- 510
- Elemento de centrado
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Claims (8)
1. Interfaz para el control, en particular para
la amortiguación, de oscilaciones mecánicas, con
a) un elemento de conexión de base (110);
b) un elemento de conexión de carga (112);
c) al menos un sistema de conversión de energía
(114, 116; 410, 416) que se extiende entre el elemento de conexión
de base (110) y el elemento de conexión de carga (112) conformado
como sistema actuador;
- c1)
- en el que el sistema de conversión de energía (114, 116; 410, 416) conformado como sistema actuador presenta una dirección predominante;
d) al menos un elemento de pretensión (118)
elástico que se extiende entre el elemento de conexión de base
(110) y el elemento de conexión de carga (112);
- d1)
- en el que el elemento de pretensión (118) ejerce una precarga mecánica sobre el sistema de conversión de energía (114, 116; 410, 416) conformado como sistema actuador;
e) al menos un elemento de derivación de empuje
(120) que se extiende entre el elemento de conexión de base (110) y
el elemento de conexión de carga (112); caracterizado
porque
- d2)
- en el que el elemento de pretensión (118) está conformado como tubo elástico que rodea el al menos un sistema de conversión de energía (114, 116; 410, 416) conformado como sistema actuador;
- e1)
- en el que el elemento de derivación de empuje presenta un elemento (122) bidimensional dispuesto en ángulo recto respecto a la dirección predominante, en particular una membrana o un muelle laminado;
- e2)
- en el que el elemento de conexión de base (110) está unido a través de al menos una unión (126; 210) con al menos una primera región de ataque (212) en el elemento (122) bidimensional;
- e3)
- en el que el elemento de conexión de carga (112) está unido a través de al menos una segunda unión (124; 214) con al menos una segunda región de ataque (216) en el elemento (122) bidimensional; y
- e4)
- en el que las regiones de ataque (212, 216) del elemento de conexión de base (110) y del elemento de conexión de carga (112) no coinciden en el elemento (122) bidimensional.
2. Interfaz según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la función del elemento de
pretensión (118) es realizada adicionalmente por medio del elemento
de derivación de empuje (120).
3. Interfaz según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizada porque al menos un sistema de
conversión de energía (114, 116; 410, 416) presenta al menos un
actuador piezoeléctrico y/o magnetoestrictivo y/o
electroestrictivo.
4. Interfaz según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el sistema de conversión de
energía (114, 116; 410, 416) presenta al menos dos sistemas
parciales (410, 416), así como un elemento de acoplamiento
(412);
- -
- en el que al menos un primer sistema parcial (410) se extiende entre el elemento de conexión de base (110) y el elemento de acoplamiento (412); y
- -
- en el que al menos un segundo sistema parcial (416) se extiende entre el elemento de acoplamiento (412) y el elemento de conexión de carga (112).
5. Interfaz según la reivindicación precedente,
caracterizado porque los sistemas parciales (410, 416) se
solapan en la dirección predominante del sistema de conversión de
energía.
6. Interfaz según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el elemento de acoplamiento
(412) se fija por medio de un elemento de central (510) relativo a
un eje paralelo a la dirección predominante del sistema de
conversión de energía (114, 116; 410, 416).
7. Disposición para la amortiguación de
oscilaciones mecánicas, caracterizado por
- -
- un interfaz según una de las reivindicaciones precedentes;
- -
- un circuito (128, 130, 132) electrónico para la reducción de oscilaciones activa, pasiva o semi-activa o semi-pasiva.
8. Disposición para la amortiguación de
oscilaciones mecánicas con varios interfaces conectados en serie y/o
en paralelo según una de las reivindicaciones 1 a 6 y/o una
disposición según la reivindicación 7.
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