WO2008037487A1 - Vorrichtung zur reduktion von schwingungen einer struktur - Google Patents

Vorrichtung zur reduktion von schwingungen einer struktur Download PDF

Info

Publication number
WO2008037487A1
WO2008037487A1 PCT/EP2007/008460 EP2007008460W WO2008037487A1 WO 2008037487 A1 WO2008037487 A1 WO 2008037487A1 EP 2007008460 W EP2007008460 W EP 2007008460W WO 2008037487 A1 WO2008037487 A1 WO 2008037487A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
actuator
resonant circuit
signal
electrical
controller
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/008460
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elmar Breitbach
Tom Weyer
Stefan Homann
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. filed Critical Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority to EP07818542A priority Critical patent/EP2076689A1/de
Publication of WO2008037487A1 publication Critical patent/WO2008037487A1/de
Priority to US12/412,505 priority patent/US20090248209A1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/002—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion characterised by the control method or circuitry
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D19/00—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase
    • G05D19/02—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase characterised by the use of electric means

Definitions

  • the invention relates to a device for reducing vibrations of a structure having the features of the preamble of patent claim 1.
  • passive vibration absorber To reduce vibrations of a structure, the use of so-called passive vibration absorber is known. These have a mechanical structure with a damping mass, which is coupled via a Tilgersteifmaschine, ie a spring, elastically to the structure whose vibrations are to be reduced. Due to the vibrations of the structure of the absorber mass is excited due to the coupling in turn to vibrate.
  • the reaction forces exerted on the structure by the vibration absorber cause the structure to be kept at rest by the vibration absorber at its natural frequency.
  • this ideal effect of a vibration absorber is given exclusively for the case in which the natural absorption frequency is equal to the frequency of the structure's vibrations to be reduced.
  • the structure has several natural frequencies or at least one variable natural frequency, or is excited to vibrate with a variable-frequency external periodic force
  • conventional, purely passive vibration dampers quickly reach their limits. If natural frequencies of the structure are to be reduced in order to reduce vibration, several vibration absorbers must be provided, with the resulting larger number of absorbers representing an undesirable increase in the total mass of the system. Frequency-variable excitation of the structure can also be counteracted with a plurality of vibration modes only if the frequency bandwidth remains small.
  • the usable frequency range can be widened by the actual Tilgereigenfrequenz a passive vibration absorber by damping the movements of the absorber mass in the frequency space.
  • damping With the introduction of damping, the ability of a passive vibration absorber to keep the structure at rest at its natural frequency is reduced. It is then only a reduction of the vibrations of the structure at the Tilgereigenfrequenz reachable.
  • This function fulfills a vibration damper with integrated damping but over a wider frequency range. The greater the attenuation, the less the structure is ideally kept at rest at the self-sustaining frequency, but the wider the frequency range in which the vibration absorber provides a still usable reduction in vibrations of the structure.
  • a device for reducing vibrations of a structure having the features of the preamble of patent claim 1 uses a passive electrical resonant circuit, which is connected via a piezoelectric element serving as both sensor and actuator, or a sensor and a separate actuator to the structure whose vibrations are to be reduced.
  • a passive electrical resonant circuit which may be formed by a resistor and an inductance, a resistance and a capacitance, an inductance and a capacitance or a resistance, an inductance and a capacitance, a mechanical vibration damper is electrically modeled.
  • EP 1 291 551 A1 also proposes active systems in which no resonant circuit is provided and which actively counteract the oscillations of the structure either with an open control loop, a closed control loop or a hybrid system which combines both control concepts ,
  • the invention has for its object to provide a device for reducing vibrations of a structure having the features of the preamble of independent claim 1, in which the control for the control of the actuator is designed in the simplest possible way to the hitherto existing disadvantages of an active vibration reduction as far as possible to eliminate as compared to a passive vibration damper, without losing the fundamental frequency variability of the active vibration reduction.
  • the controller has an analog to a mechanical absorber constructed electrical resonant circuit, which determines the course of a transfer function of the control between the signal of the vibration sensor and the control of the actuator. It is therefore not a question that the controller according to the invention has somewhere any electrical resonant circuit, which may already be the case with a control of a device from the prior art. Rather, it is important that the course of the transfer function of the controller between the signal of the vibration sensor and the control of the actuator, so the response of the controller in the form of driving the actuator to the signal of the vibration sensor is determined by magnitude and phase by the electrical resonant circuit.
  • the present invention is based on the concept to replace the mechanical resonant circuit of a passive vibration absorber by an analogously constructed electrical resonant circuit and analog with the vibration sensor on the one hand and the actuator on the other hand, the relevant couplings of a mechanical vibration absorber with the structure whose vibrations are to be reduced. Except for adjustments between the electrical resonant circuit and the mechanical structure, which may require the supply of electrical power, the new device works as a mechanical vibration absorber passive insofar as the response to vibrations of the structure is determined by the passive electrical resonant circuit and than that at least Part of the power needed to reduce the vibration of the structure is available as reactive power. As a result, a high susceptibility to interference and energy-saving operation of the new device are guaranteed.
  • the adaptation of the electrical resonant circuit to the energy of the vibrations of a structure to be reduced can be achieved by a larger dimensioning of the electrical resonant circuit, ie larger electrical components. In this case, it comes with little externally supplied electrical power for adaptation between the electrical resonant circuit and the mechanical structure. It is also in principle sufficient to provide the adaptation to the energy of the vibrations to be reduced in the region of the interface between the electrical resonant circuit and the mechanical structure.
  • the resonant circuit is composed of operational amplifiers. At least two operational amplifiers are provided. Preferably, these are at least three operational amplifiers. Of the operational amplifiers, a first is used as a differential amplifier and each other as an integrator for the output of the preceding operational amplifier, and at least from the last integrator in the series, the output is fed back to the differential amplifier.
  • the electrical resonant circuit of the new device basically has a fixed natural frequency. However, it is readily possible to intervene in this electrical resonant circuit, for example, by changing its electrical variables to change its natural frequency. Thus, this natural frequency can easily be tuned to a relevant frequency component of the vibrations of the structure or this tracked. Due to the slight variability of the electrical variables of the electrical resonant circuit, in addition to its natural frequency, as far as this is desired, for. B. also changes its attenuation and be optimized with respect to the current operating conditions of the device.
  • the tuning of the natural frequency and possibly also the attenuation of the electrical resonant circuit by changing its electrical variables is preferably carried out as a function of a dominant frequency component of the signal of the vibration sensor or another sensor.
  • Several other sensors can also be used in determining the currently ideal electrical variables of the electrical resonant circuit.
  • the control In order to use the vibration sensor to simulate the coupling of a mechanical vibration absorber to the structure, the control generates from the signal of the vibration sensor a path-proportional voltage signal, which is fed back into the resonant circuit.
  • a path-proportional voltage signal is provided directly by a displacement sensor. But it can also be generated from the signal of a speed sensor or an acceleration sensor by one or two times integration. In principle, it is also possible that directly a speed or acceleration proportional voltage signal is fed back into the resonant circuit of the new controller.
  • the controller controls the actuator with a difference between a feedback voltage signal of the electrical resonant circuit and the off-proportional voltage signal received at the mechanical structure.
  • Control is typically via a power amplifier.
  • Voltage signal of the electrical resonant circuit corresponds to the oscillation path of
  • Absorber mass which, depending on its position relative to the structure, acts on the structure via the absorber stiffness simulated in the electrical oscillating circuit.
  • the electrical resonant circuit of the control of the new device can be realized analog or digitally simulated.
  • the electrical resonant circuit may be constructed of integrated circuits, wherein then the adaptation to the power level of the mechanical structure may be more complex.
  • a digitally simulated electrical resonant circuit facilitates the change in the electrical variables of the resonant circuit in order to change its natural frequency and / or attenuation as needed.
  • the actuator with which the control acts on the mechanical structure is preferably one which is supported exclusively on the structure itself, ie. H. acts on at least two points of the structure and is effective between them. Changes in the position of the structure in relation to an external support of the actuator do not have to be considered.
  • the actuator may have a layer structure of two surface electrodes and a piezoelectric layer arranged between the surface electrodes, which stretches in its main plane of extension when a voltage is applied between the surface electrodes.
  • a planar element of the structure, with which this actuator is connected flat claimed bending.
  • frequently occurring bending vibrations of a wall or of another planar element of a structure can be counteracted very effectively.
  • the natural frequency of the electrical resonant circuit of the new device is easily changeable.
  • the electrical resonant circuit can also be readily configured so that it has a plurality of natural frequencies and thus determines the response behavior, ie the transfer function of the controller to vibrations of the mechanical structure at several frequencies in an ideal manner.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of an elastic structure attached thereto mechanical vibration absorber.
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 Invention in which the mechanical vibration absorber according to FIG. 1 is simulated by an electrical resonant circuit.
  • Fig. 3 shows a comparison with FIG. 1 to a damping of the absorber mass of the mechanical vibration absorber supplemented schematic diagram.
  • Fig. 5 shows the arrangement of an actuator on a structure in the application of the new device
  • FIG. 6 shows details of the actuator according to FIG. 5.
  • a mechanical structure 1 is shown, which is shown here, that it is coupled via a structural rigidity 2 to a stationary base 3 in order to reproduce their elasticity.
  • a mechanical vibration damper 4 is coupled from a Tilgersteiftechnik 5 and a damping mass 6, wherein the Tilgersteiftechnik 5 binds the absorber mass 6 to the structure 1.
  • ⁇ is the matching natural frequency expressed as angular frequency
  • c ⁇ is the value of the absorber stiffness 5
  • m ⁇ is the value of the absorber mass 6
  • K is the value of the modal structural stiffness 2
  • M is the value of the modal mass of the structure 1, reduces the vibration damper 4 vibrations of the structure 1 with the matching natural frequency to zero.
  • x is the displacement of the structure 1
  • x ⁇ is the displacement of the absorber mass 6
  • x is the acceleration of the structure 1.
  • the structure 1 "sees" the vibration absorber 4 exclusively in the form of a force component -c r (x -x ⁇ ) in this case.
  • a vibration sensor 8 which emits a signal 10 to a control 9 is arranged on the structure 1.
  • the controller 9 controls an actuator 11 acting on the structure 1 with a drive signal 12.
  • the drive signal 12 is proportional to (x -x ⁇ ), where x is a path-proportional voltage signal, the control 9 from the signal 10 of the vibration sensor. 9 generated, and x ⁇ here a feedback voltage signal 13 of an electrical
  • Resonant circuit 14 of the controller 9 is. In this way, with the controller 9 and the actuator 11, the influence of a vibration absorber on the structure 1 is simulated analogously.
  • the feedback from the structure 1 to the vibration damper is simulated via the vibration sensor 9, in which the controller feeds back into the electric oscillating circuit 14 the out-of-band voltage signal 15 generated from its signal 10, which also enters the drive signal 12.
  • the electrical resonant circuit 14 may be formed in different ways. Here it is constructed by three operational amplifiers, a differential amplifier 16 which amplifies the difference between the voltage signals 13 and 15, and two integrators 17 and 18.
  • a transition signal 19 from the differential amplifier 16 to the integrator 17 corresponds to the acceleration of the absorber mass of a mechanical vibration absorber simulated by the resonant circuit 14, while a transition signal 20 between the two integrators 17 and 18 corresponds to a speed of this absorber mass.
  • the fed back voltage signal 13 is as well as the voltage signal 15 away proportional.
  • the voltage signal 15 reflects the displacement x of the structure 1, the voltage signal 13 corresponds to the displacement x ⁇ of the absorber mass 6.
  • a conditioner 21 of the controller 9 serves to make the signal 10 of the vibration sensor 8 the path-proportional voltage signal 15 and from the Signal 10 and the voltage signal 15 and the voltage signal 13 to generate the drive signal 12.
  • the vibration sensor 8 is a displacement sensor and no integration of the signal 10 for the generation of the voltage signal 15 is required, essentially to a level adjustment between the vibration sensor 8 and the electrical resonant circuit 14 on the one hand and the electrical resonant circuit 14 and the actuator 11 on the other hand.
  • the controller 9 operates passively based on the electrical oscillating circuit 14. That is, a substantial portion of the electric power for driving the actuator 11 is provided by the electric oscillation circuit 14 in the form of reactive power. On this basis, the entire device 7 is very economical with respect to the electric power to be externally supplied thereto.
  • a not yet mentioned advantage of the device 7 over the attachment of a mechanical vibration absorber 4 according to FIG. 1 to the structure 1 is that the entire control 9 can be arranged away from the structure. It has already been suggested that, especially with higher-energy vibrations of structure 1, the required Mass m ⁇ the absorber mass 6 is often very large with adequate design of a vibration absorber 4 of FIG. 1, because the available for the absorber mass 6 ways x ⁇ are practically limited. This limitation does not occur with respect to the amplitudes of the voltage signals in the electric oscillation circuit 14. Moreover, its electrical variables can be changed and, in particular, increased without this having the same influence on the mass of the controller 9 as in a mechanical vibration absorber 4 according to FIG. 1.
  • a damper 22 between the structure 1 and the absorber mass 6 is reproduced.
  • the associated with the damper 22 damping the movement of the absorber mass 6 is often not only real available, but quite desirable.
  • this attenuation is also reproduced in the control 9, in which not only the voltage signal 13, but also the transition signal 19 between the two integrators 17 and 18 with negative sign to the differential amplifier 16 in the electrical resonant circuit 14 is fed back.
  • This transition signal 20 corresponds to a speed x T of the absorber mass of the simulated mechanical vibration absorber.
  • the degree of damping is adjustable by an actuator 23.
  • actuators 24 to 26 point to further intervention possibilities in the resonant circuit 14 in order to modify it if necessary.
  • dashed lines is further indicated in Fig. 4 that also the transition signal 19 can be fed back into the differential amplifier 16 and that also the transition signals 19 and 20 can also be supplied to the conditioner 21 to enter the drive signal 12.
  • the actuators 23 to 26 and also an actuator 27 for a feedback signal if any gurgekoppeltes 19 are not limited to potentiometers for adjustable attenuation of the respective input voltage. It can also be adjustable amplifiers or even adjustable inverters for the input voltage. Thus, a negative stiffness or a negative damping of a vibration absorber can be simulated analogously.
  • an additional vibration sensor 38 on the structure 1 is indicated in FIG.
  • FIG. 5 shows how a flat actuator 11 is arranged on a planar element 28 of the structure 1 by being connected to it in a planar manner.
  • the controller 9 is shown here only as a "black box" which, depending on the signal 10 of the vibration sensor 8 on the structure 1 controls the actuator 8 with the drive signal 12 and the electrical power 28 is added from the outside.
  • Fig. 6 shows a possible structure of the actuator 11.
  • a sheath 29 which serves both for electrical insulation and for mechanical stabilization, a two-dimensionally extended piezoelectric layer 30 is arranged.
  • the piezoelectric layer 30 is interposed between two surface electrodes 31 and 32.
  • the surface electrode 31 is here formed by a copper cloth 33, while the surface electrode 32 is a coating 34 of the copper cloth 33 facing away from the surface of the piezoelectric layer 20.
  • the drive signal 12 is applied between the surface electrodes 31 and 32 via electrical contacts 35 and 36.
  • As a result of a voltage between the surface electrodes 31 and 32 there is an extension of the piezoelectric layer 30 in its main plane of extension, which transfers to the envelope 29.
  • this extension of the actuator 8 acts in a curvature of the planar element 28 of the structure 1.
  • the new device can be used wherever mechanical vibration absorbers have hitherto been used. Due to the variability in terms of their operating point, many other applications are possible in which a vibration problem does not occur or not only at a fixed frequency.
  • a special application of the new device is the reduction of pressure pulsations in a hydraulic line between a pump, which is often the cause of the pressure pulsations, and a consumer.
  • the actuator of the device can act directly on the pulsating hydraulic medium, so that it reduces the pressure oscillations .
  • a part of the wall of the hydraulic line, in particular a rigid hydraulic line, in which the pressure pulsations occur are formed by the actuator, which is controlled orthogonally to the course of the wall.
  • the actuator may also act on the hydraulic line to primarily reduce its deformation by the pressure pulsations. Even so, it has a reducing effect on the pressure pulsations of the hydraulic medium in the hydraulic line. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

Eine Vorrichtung (7) zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur (1) weist einen in einer Struktur (1) angeordneten Schwingungssensor (8), einen an der Struktur angreifenden Aktuator (11) und eine den Aktuator (11) in Abhängigkeit von einem Signal (10) des Schwingungssensors (8) ansteuernde Steuerung (9) auf. Die Steuerung (9) weist ihrerseits einen elektrischen Schwingkreis (14) auf, der den Verlauf einer Übertragungsfunktion der Steuerung (9) zwischen dem Signal (10) des Schwingungssensors (8) und der Ansteuerung (12) des Aktuators (11) bestimmt. Der Schwingkreis (14) ist aus Operationsverstärkern (16-18) aufgebaut.

Description

VORRICHTUNG ZUR REDUKTION VON SCHWINGUNGEN EINER STRUKTUR
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur ist der Einsatz so genannter passiver Schwingungstilger bekannt. Diese weisen einen mechanischen Aufbau mit einer Tilgermasse auf, die über eine Tilgersteifigkeit, d. h. eine Feder, elastisch an die Struktur, deren Schwingungen zu reduzieren sind, angekoppelt wird. Durch die Schwingungen der Struktur wird die Tilgermasse aufgrund der Ankopplung ihrerseits zu Schwingungen angeregt. Wenn die Eigenfrequenzen der Struktur und des Schwingungstilgers identisch sind, bewirken die von dem Schwingungstilger auf die Struktur ausgeübten Reaktionskräfte, dass die Struktur bei ihrer Eigenfrequenz von dem Schwingungstilger in Ruhe gehalten wird. Diese ideale Wirkung eines Schwingungstilgers ist jedoch ausschließlich für den Fall gegeben, dass die Tilgereigenfrequenz gleich der Frequenz der zu reduzierenden Schwingungen der Struktur ist. Wenn die Struktur hingegen mehrere Eigenfrequenzen oder mindestens eine veränderliche Eigenfrequenz aufweist, oder mit einer frequenzvariablen äußeren periodischen Kraft zu Schwingungen angeregt wird, stoßen herkömmliche, rein passive Schwingungstilger schnell an ihre Grenzen. Sollen Eigenfrequenzen der Struktur schwingungsmindernd beeinflusst werden, müssen mehrere Schwingungstilger vorgesehen werden, wobei die daraus resultierende größere Zahl der Tilger eine unerwünschte Erhöhung der Gesamtmasse des Systems bedeutet. Einer frequenzvariablen Anregung der Struktur kann auch mit einer Mehrzahl von Schwingungstilgem nur dann begegnet werden, wenn die Frequenzbandbreite klein bleibt.
Es ist bekannt, dass der nutzbare Frequenzbereich um die eigentliche Tilgereigenfrequenz eines passiven Schwingungstilgers durch eine Dämpfung der Bewegungen der Tilgermasse im Frequenzraum verbreitert werden kann. Mit der Einführung einer Dämpfung reduziert sich aber das Vermögen eines passiven Schwingungstilgers, die Struktur bei der Tilgereigenfrequenz in Ruhe zu halten. Es ist dann lediglich eine Reduktion der Schwingungen der Struktur bei der Tilgereigenfrequenz erreichbar. Diese Funktion erfüllt ein Schwingungstilger mit integrierter Dämpfung dann aber über einen größeren Frequenzbereich. Je größer die Dämpfung ist, desto weniger wird die Struktur bei der Tilgereigenfrequenz ideal in Ruhe gehalten, desto breiter ist aber auch der Frequenzbereich, in dem der Schwingungstilger eine noch nutzbare Reduktion von Schwingungen der Struktur bereitstellt.
Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um einen Schwingungstilger bezüglich seiner Tilgereigenfrequenz variabel auszubilden, um diese Tilgereigenfrequenz auf die Frequenz aktuell besonders störender Schwingungen einer Struktur abstimmen zu können. Ein Beispiel hierfür ist in der DE 103 51 243 A1 beschrieben. Selbst wenn wie hier die Tilgereigenfrequenz verglichen mit dem hierfür betriebenen aktuatorischen Aufwand recht effektiv geändert wird, so ist der Aufwand für einen derartigen frequenzabstimmbaren Schwingungstilger verglichen mit dem mit seiner variablen Tilgereigenfrequenz abdeckbaren Frequenzbereich relativ groß.
Ein weiterer Ansatz, den Frequenzbereich zu verbreitern, über den ein grundsätzlich passiver Schwingungstilger zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur geeignet ist, ist aus der DE 197 25 770 A1 bekannt. Hier ist ein Linearaktuator zwischen der Tilgersteifigkeit und der Struktur angeordnet, um den Schwingungstilger bei Frequenzen neben der Tilgereigenfrequenz mittels Ansteuerung des Linearaktuators zusätzlich aktiv anzuregen. Dies hat den Zweck, die Amplitude der Schwingungen der Tilgermasse bei diesen Frequenzen aktiv so weit anzuheben, dass die von dem Schwingungstilger in die Struktur rückgekoppelten Kräfte auch bei diesen Frequenzen effektiv in der Lage sind, Schwingungen der Struktur zu reduzieren. Wie bei allen aktiven Maßnahmen zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur ist es auch hier erforderlich, dass die Ansteuerung des Linearaktuators phasenrichtig erfolgt. Letztlich ist verglichen mit der erreichten Verbreiterung des nutzbaren Frequenzbereichs des Schwingungstilgers der zu betreibende Aufwand auch hier relativ groß.
Alle Schwingungstilger mit mechanischem Aufbau sind mit dem Nachteil verbunden, dass ihre Tilgermasse auf die Schwingungsenergie der zu reduzierenden Schwingungen abgestimmt sein muss, damit die von der Tilgermasse für die Bereitstellung der notwendigen Rückkopplungskräfte auf die Struktur zurückzulegenden Wege in Grenzen bleiben. Dies ist einerseits notwendig, weil reale Tilgersteifigkeiten nur für begrenzte Wege geeignet sind, und andererseits, weil auch der von einem Schwingungstilger beanspruchte Bauraum mit dem zunehmenden Weg der Tilgermasse anwächst. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise die Masse der insgesamt in einem Propellerflugzeug, dessen Struktur massiv bei der Umlauffrequenz der Propeller und hierzu Harmonischen angeregt wird, verbauten Schwingungstilger einen schon erheblichen Anteil der Gesamtmasse des Propellerflugzeugs ausmachen.
Aus der EP 0 956 950 A1 ist für das Spezialgebiet der Papierstreichapparate das Prinzip der aktiven Schwingungsreduktion bekannt, bei dem Beschleunigungskräfte, die auf eine Struktur wirken, mit gleich großen aber entgegen gesetzten Kräften, die mit aktiv angesteuerten Aktuatoren hervorgerufen werden, zwecks Auslöschung überlagert werden. Die gewünschte Auslöschung setzt dabei voraus, dass die mit den Aktuatoren erzeugten Kräfte sowohl den richtigen Betrag als auch die richtige, d. h. entgegen gesetzte Phase in Bezug auf die zu unterdrückenden Anregungen der Struktur aufweisen. Aus diesem Grund weist eine aus der DE 197 25 770 A1 bekannte Vorrichtung mit den Merkmalen der eingangs beschriebenen Art neben dem an der Struktur angreifenden Aktuator einen an der Struktur angeordneten Beschleunigungsaufnehmer auf. Abhängig von dem Signal des Beschleunigungsaufnehmers steuert eine Steuerung der bekannten Vorrichtung den Aktuator so an, dass er mit den von ihm hervorgerufenen Kräften die Struktur in Ruhe hält. Grundsätzlich ist diese Vorgehensweise frequenzunabhängig, d. h. eine derartige Vorrichtung kann über einen sehr großen Frequenzbereich wirksam sein. In der Praxis bedeutet die Berücksichtigung beliebiger Frequenzen für die Ansteuerung des Aktuators jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Aus der DE 197 25 770 A1 ist es daher bekannt, die Rotationsfrequenz der mit einer aktiven Schwingungsreduktion ausgestatteten rotierenden Struktur zu erfassen und die Ansteuerung des Aktuators auf diese Rotationsfrequenz und Harmonische hiervon zu beschränken. Das Prinzip der aktiven Schwingungsreduktion einer Struktur kann auch so beschrieben werden, dass der Struktur mit Hilfe der Ansteuerung des Aktuators bezüglich der von dem Schwingungssensor erfassten Schwingungen eine "unendliche" Steifigkeit verliehen wird. Der für dieses Prinzip zu betreibende energetische Aufwand für die Ansteuerung des an der Struktur angreifenden Aktuators ist bei stärkeren Anregungen der Struktur allerdings ganz erheblich. Hierdurch werden die Vorteile gegenüber passiven Schwingungstilgem begrenzt, die überdies eine deutlich höhere Ausfallsicherheit aufweisen als die komplexe Steuerung, die für eine aktive Schwingungsreduktion erforderlich ist.
Aus der EP 1 291 551 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Diese Vorrichtung verwendet einen passiven elektrischen Schwingkreis, der über ein Piezoelement, das sowohl als Sensor als auch Aktuator dient, oder einen Sensor und einen davon getrennten Aktuator an die Struktur angebunden ist, deren Schwingungen zu reduzieren sind. Mit dem passiven elektrischen Schwingkreis, der durch einen Widerstand und eine Induktivität, einen Widerstand und eine Kapazität, eine Induktivität und eine Kapazität oder einen Widerstand, eine Induktivität und eine Kapazität ausgebildet sein kann, wird ein mechanischer Schwingungstilger elektrisch nachgebildet. So ist diese bekannte passive Vorrichtung wie ein mechanischer Schwingungstilger zur Reduktion von Schwingungen nur bei der Eigenfrequenz ihres Schwingkreises geeignet. Um diesem Problem zu begegnen, schlägt die EP 1 291 551 A1 auch aktive Systeme vor, bei denen kein Schwingkreis vorgesehen ist und die entweder mit einer offenen Steuerschleife, einer geschlossenen Steuerschleife oder einem Hybridensystem, das beide Steuerungskonzepte verbindet, den Schwingungen der Struktur aktiv entgegenwirken.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei der die Steuerung für die Ansteuerung des Aktuators auf möglichst einfache Weise konzipiert ist, um die bislang vorhandenen Nachteile einer aktiven Schwingungsreduktion gegenüber einem passiven Schwingungstilger möglichst weitgehend zu beseitigen, ohne die grundsätzliche Frequenzvariabilität der aktiven Schwingungsreduktion zu verlieren. LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10 beschrieben.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der neuen Vorrichtung weist die Steuerung einen zu einem mechanischen Tilger analog aufgebauten elektrischen Schwingkreis auf, der den Verlauf einer Übertragungsfunktion der Steuerung zwischen dem Signal des Schwingungssensors und der Ansteuerung des Aktuators bestimmt. Es geht also nicht darum, dass die erfindungsgemäße Steuerung irgendwo irgendeinen elektrischen Schwingkreis aufweist, was auch bei einer Steuerung einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik bereits der Fall sein mag. Vielmehr geht es darum, dass der Verlauf der Übertragungsfunktion der Steuerung zwischen dem Signal des Schwingungssensors und der Ansteuerung des Aktuators, also das Antwortverhalten der Steuerung in Form der Ansteuerung des Aktuators auf das Signal des Schwingungssensors nach Betrag und Phase durch den elektrischen Schwingkreis bestimmt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, den mechanischen Schwingkreis eines passiven Schwingungstilgers durch einen analog aufgebauten elektrischen Schwingkreis zu ersetzen und mit dem Schwingungssensor einerseits und dem Aktuator andererseits die relevanten Kopplungen eines mechanischen Schwingungstilgers mit der Struktur, deren Schwingungen zu reduzieren sind, analog nachzubilden. Bis auf Anpassungen zwischen dem elektrischen Schwingkreis und der mechanischen Struktur, die die Zuführung elektrischer Leistung erfordern können, arbeitet die neue Vorrichtung wie ein mechanischer Schwingungstilger insoweit passiv, als dass das Antwortverhalten auf Schwingungen der Struktur durch den passiven elektrischen Schwingkreis bestimmt wird und als dass zumindest ein Teil der Leistung, die zum Reduzieren der Schwingungen der Struktur benötigt wird, als Blindleistung zurr Verfügung steht. Hierdurch sind eine hohe Störunanfälligkeit und ein energiesparender Betrieb der neuen Vorrichtung garantiert. Die Anpassung des elektrischen Schwingkreises an die Energie der zu reduzierenden Schwingungen einer Struktur kann durch eine größere Dimensionierung des elektrischen Schwingkreises, d. h. größere elektrische Komponenten erfolgen. In diesem Fall kommt man mit wenig von außen zugeführter elektrischer Leistung zur Anpassung zwischen dem elektrischen Schwingkreis und der mechanischen Struktur aus. Es ist aber auch grundsätzlich ausreichend, die Anpassung an der Energie der zu reduzierenden Schwingungen im Bereich der Schnittstelle zwischen dem elektrischen Schwingkreis und der mechanischen Struktur vorzusehen.
Bei der neuen Vorrichtung ist der Schwingkreis, aus Operationsverstärkern aufgebaut. Mindestens sind zwei Operationsverstärker vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich um mindestens drei Operationsverstärker. Von den Operationsverstärkern wird ein erster als Differenzverstärker und jeder weitere als Integrator (Integrierer) für das Ausgangssignal des voangehenden Operationsverstärkers verwendet, und zumindest von dem letzten Integrator der Reihe wird das Ausgangssignal zu dem Differenzverstärker zurückgeführt.
Der elektrische Schwingkreis der neuen Vorrichtung weist grundsätzlich eine feste Eigenfrequenz auf. Es ist aber ohne weiteres möglich, in diesen elektrischen Schwingkreis einzugreifen, indem beispielsweise seine elektrischen Größen verändert werden, um seine Eigenfrequenz zu verändern. So kann diese Eigenfrequenz leicht auf eine relevante Frequenzkomponente der Schwingungen der Struktur abgestimmt oder dieser nachgeführt werden. Durch die leichte Veränderbarkeit der elektrischen Größen des elektrischen Schwingkreises kann neben seiner Eigenfrequenz, so weit dies erwünscht ist, z. B. auch seine Dämpfung verändert und in Bezug auf die aktuellen Betriebsbedingungen der Vorrichtung optimiert werden.
Die Abstimmung der Eigenfrequenz und ggf. auch der Dämpfung des elektrischen Schwingkreises durch Verändern seiner elektrischen Größen erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer dominanten Frequenzkomponente des Signals des Schwingungssensors oder eines weiteren Sensors. Es können auch mehrere weitere Sensoren bei der Ermittlung der aktuell idealen elektrischen Größen des elektrischen Schwingkreises eingesetzt werden.
Um mit dem Schwingungssensor die Kopplung eines mechanischen Schwingungstilgers an die Struktur nachzubilden, generiert die Steuerung aus dem Signal des Schwingungssensors ein wegproportionales Spannungssignal, das in den Schwingkreis rückgekoppelt wird. Ein wegproportionales Spannungssignal wird von einem Wegsensor direkt bereitgestellt. Es kann aber auch aus dem Signal eines Geschwindigkeitssensors oder eines Beschleunigungssensors durch ein- bzw. zweifache Integration generiert werden. Grundsätzlich ist es zudem möglich, dass direkt ein geschwindigkeits- oder beschleunigungsproportionales Spannungssignal in den Schwingkreis der neuen Steuerung rückgekoppelt wird.
Um die Koppelung der mechanischen Struktur an einen mechanischen Schwingungstilger nachzubilden, steuert die Steuerung den Aktuator mit einer Differenz zwischen einem rückgekoppelten Spannungssignal des elektrischen Schwingkreises und dem an der mechanischen Struktur aufgenommenen wegproportionalen Spannungssignal an. Diese
Ansteuerung erfolgt typischerweise über einen Leistungsverstärker. Das rückgekoppelte
Spannungssignal des elektrischen Schwingkreises entspricht dem Schwingungsweg der
Tilgermasse, die je nach ihrer Position gegenüber der Struktur über die in dem elektrischen Schwingkreis simulierte Tilgersteifigkeit auf die Struktur einwirkt.
Der elektrische Schwingkreis der Steuerung der neuen Vorrichtung kann analog realisiert oder digital simuliert sein. Konkret kann der elektrische Schwingkreis aus integrierten Schaltungen aufgebaut sein, wobei dann die Anpassung an das Leistungsniveau der mechanischen Struktur aufwändiger sein kann. Umgekehrt erleichtert ein digital simulierter elektrischer Schwingkreis die Veränderung der elektrischen Größen des Schwingkreises, um dessen Eigenfrequenz und/oder Dämpfung je nach Bedarf zu verändern.
Der Aktuator, mit dem die Steuerung auf die mechanische Struktur einwirkt, ist vorzugsweise ein solcher, der sich ausschließlich an der Struktur selbst abstützt, d. h. an mindestens zwei Punkten der Struktur angreift und zwischen diesen wirksam ist. Lageveränderungen der Struktur gegenüber einer externen Abstützung des Aktuators müssen dann nicht berücksichtigt werden.
Konkret kann der Aktuator einem Schichtaufbau aus zwei Flächenelektroden und einer zwischen den Flächenelektroden angeordneten piezoelektrischen Schicht aufweisen, die sich bei Anlegen einer Spannung zwischen den Flächenelektroden in ihrer Haupterstreckungsebene streckt. Hierdurch wird ein flächiges Element der Struktur, mit dem dieser Aktuator flächig verbunden ist, auf Biegung beansprucht. Auf diese Weise kann häufig auftretenden Biegeschwingungen einer Wandung oder eines anderen flächigen Elements einer Struktur sehr effektiv begegnet werden. Es wurde bereits mehrfach darauf hingewiesen, dass die Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises der neuen Vorrichtung einfach veränderbar ist. Der elektrische Schwingkreis kann aber auch ohne weiteres so ausgebildet sein, dass er über mehrere Eigenfrequenzen verfügt und so das Antwortverhalten, d. h. die Übertragungsfunktion der Steuerung auf Schwingungen der mechanischen Struktur bei mehreren Frequenzen in idealer Weise bestimmt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaubild zu einer elastischen Struktur mit daran angebrachtem mechanischem Schwingungstilger.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaubild zu einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der der mechanische Schwingungstilger gemäß Fig. 1 durch einen elektrischen Schwingkreis nachgebildet ist. Fig. 3 zeigt ein gegenüber Fig. 1 um eine Dämpfung der Tilgermasse des mechanischen Schwingungstilgers ergänztes Prinzipschaubild.
Fig. 4 zeigt das Prinzipschaubild einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die den mechanischen Schwingungstilger mit Dämpfung gemäß Fig. 3 nachbildet und bei der weitere Erweiterungsmöglichkeiten gegenüber Fig. 2 angedeutet sind.
Fig. 5 zeigt die Anordnung eines Aktuators an einer Struktur bei der Anwendung der neuen Vorrichtung; und
Fig. 6 zeigt Details des Aktuators gemäß Fig. 5.
FIGURENBESCHREIBUNG
In Fig. 1 ist eine mechanische Struktur 1 wiedergegeben, die hier so dargestellt ist, dass sie über eine Struktursteifigkeit 2 an eine ortsfeste Basis 3 angekoppelt ist, um ihre Elastizität wiederzugeben. An die Struktur 1 ist ein mechanischer Schwingungstilger 4 aus einer Tilgersteifigkeit 5 und einer Tilgermasse 6 angekoppelt, wobei die Tilgersteifigkeit 5 die Tilgermasse 6 an die Struktur 1 anbindet. Wenn die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 4 gleich der Eigenfrequenz der Struktur 1 ist, so dass die folgende Gleichung (0):
„> = £>- = £. (0) mτ M
gilt, wobei ω die als Kreisfrequenz ausgedrückte übereinstimmende Eigenfrequenz ist, cτ der Wert der Tilgersteifigkeit 5 ist, mτ der Wert der Tilgermasse 6 ist, K der Wert der modalen Struktursteifigkeit 2 ist und M der Wert der modalen Masse der Struktur 1 ist, reduziert der Schwingungstilger 4 Schwingungen der Struktur 1 mit der übereinstimmenden Eigenfrequenz bis auf null.
Für die auf die modale Masse der Struktur 1 insgesamt wirkende Kraft P gilt in dem System gemäß Fig. 1 die Gleichung (1): Mx + Kx +C7-O -Jc7.) = P (1),
wobei x die Verschiebung der Struktur 1 ist, xτ die Verschiebung der Tilgermasse 6 ist und x die Beschleunigung der Struktur 1 ist.
Für den Fall, , dass keine äußeren Kräfte P auf die Struktur 1 einwirken, d.h. P = O, ergibt sich aus der Gleichung (1) die Gleichung (2):
Mx + Kx = -cτ(x-xτ) (2).
Hieraus folgt, dass die Struktur 1 in diesem Fall den Schwingungstilger 4 ausschließlich in Form einer Kraftkomponente -cr(x -xτ) "sieht".
Umgekehrt gilt für die Tilgermasse 6 die Gleichung (3):
mτxτ-cτ(x -xτ) = 0 (3),
wobei X7. die Beschleunigung der Tilgermasse 6 ist. Diese Gleichung (3) ist in die folgende Gleichung (4) umformbar:
mτxτ+cτxτ=cτx (4).
Hieraus folgt, dass der Schwingungstilger 4 von der Struktur 1 ausschließlich die Kraftkomponente cτx "sieht".
Die aus den Gleichungen (2) und (4) abzuleitenden Erkenntnisse sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 7 gemäß Fig. 2 umgesetzt. Hier ist statt eines mechanischen Schwingungstilgers 4 an der Struktur 1 ein Schwingungssensor 8 angeordnet, der an eine Steuerung 9 ein Signal 10 abgibt. In Abhängigkeit von dem Signal 10 steuert die Steuerung 9 einen an der Struktur 1 angreifenden Aktuator 11 mit einem Ansteuersignal 12 an. Das Ansteuersignal 12 ist dabei proportional zu (x -xτ) , wobei x hier ein wegproportionales Spannungssignal ist, das die Steuerung 9 aus dem Signal 10 des Schwingungssensors 9 generiert, und xτ hier ein rückgekoppeltes Spannungssignal 13 eines elektrischen
Schwingkreises 14 der Steuerung 9 ist. Auf diese Weise wird mit der Steuerung 9 und dem Aktuator 11 der Einfluss eines Schwingungstilgers auf die Struktur 1 analog nachgebildet. Die Rückkopplung von der Struktur 1 auf den Schwingungstilger wird dabei über den Schwingungssensor 9 nachgebildet, in dem die Steuerung das aus seinem Signal 10 generierte wegproportionale Spannungssignal 15, das auch in das Ansteuersignal 12 eingeht, in den elektrischen Schwingkreis 14 rückkoppelt. Der elektrische Schwingkreis 14 kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Hier ist er durch drei Operationsverstärker, einen Differenzverstärker 16, der die Differenz zwischen den Spannungssignalen 13 und 15 verstärkt, und zwei Integratoren 17 und 18, aufgebaut. Dabei entspricht ein Übergangssignal 19 von dem Differenzverstärker 16 zu dem Integrator 17 der Beschleunigung der Tilgermasse eines durch den Schwingkreis 14 nachgebildeten mechanischen Schwingungstilgers, während ein Übergangssignal 20 zwischen den beiden Integratoren 17 und 18 einer Geschwindigkeit dieser Tilgermasse entspricht. Das rückgekoppelte Spannungssignal 13 ist ebenso wie das Spannungssignal 15 wegproportional. Während das Spannungssignal 15 jedoch die Verschiebung x der Struktur 1 wiedergibt, entspricht das Spannungssignal 13 der Verschiebung xτ der Tilgermasse 6. Ein Konditionierer 21 der Steuerung 9 dient dazu, aus dem Signal 10 des Schwingungssensors 8 das wegproportionale Spannungssignal 15 zu machen und aus dem Signal 10 bzw. dem Spannungssignal 15 und dem Spannungssignal 13 das Ansteuersignal 12 zu erzeugen. Dabei geht es, zumindest wenn der Schwingungssensor 8 ein Wegsensor ist und keine Integration des Signals 10 für die Generierung des Spannungssignals 15 erforderlich ist, im Wesentlichen um eine Niveauanpassung zwischen dem Schwingungssensor 8 und dem elektrischen Schwingkreis 14 einerseits und dem elektrischen Schwingkreis 14 und dem Aktuator 11 andererseits. Bis auf diese Niveauanpassung, die eine Zuführung von elektrischer Leistung von außen erfordert, arbeitet die Steuerung 9 auf Basis des elektrischen Schwingkreises 14 passiv. D. h., ein wesentlicher Teil der elektrischen Leistung zur Ansteuerung des Aktuators 11 wird durch den elektrischen Schwingkreis 14 in Form von Blindleistung bereitgestellt. Auf dieser Basis ist die gesamte Vorrichtung 7 sehr sparsam in Bezug auf die ihr von außen zuzuführende elektrische Leistung.
Ein bislang noch nicht erwähnter Vorteil der Vorrichtung 7 gegenüber dem Anbringen eines mechanischen Schwingungstilgers 4 gemäß Fig. 1 an der Struktur 1 ist, dass die gesamte Steuerung 9 entfernt von der Struktur angeordnet werden kann. Bereits angedeutet wurde darauf, dass gerade bei höherenergetischen Schwingungen der Struktur 1 die erforderliche Masse mτ der Tilgermasse 6 bei adäquater Auslegung eines Schwingungstilgers 4 gemäß Fig. 1 oft sehr groß wird, weil die für die Tilgermasse 6 zur Verfügung stehenden Wege xτ praktisch begrenzt sind. Diese Begrenzung tritt in Bezug auf die Amplituden der Spannungssignale in dem elektrischen Schwingkreis 14 so nicht auf. Überdies können dessen elektrische Größen geändert und insbesondere erhöht werden, ohne dass dies im selben Maße Einfluss auf die Masse der Steuerung 9 hat wie bei einem mechanischen Schwingungstilger 4 gemäß Fig. 1.
Bei dem in Fig. 3 skizzierten System ist neben der Tilgersteifigkeit 5 ein Dämpfer 22 zwischen der Struktur 1 und der Tilgermasse 6 wiedergegeben. Die mit dem Dämpfer 22 verbundene Dämpfung der Bewegung der Tilgermasse 6 ist häufig nicht nur real vorhanden, sondern durchaus erwünscht. Bei der in Fig. 4 skizzierten Vorrichtung 7 ist diese Dämpfung ebenfalls in der Steuerung 9 nachgebildet, indem bei dem elektrischen Schwingkreis 14 nicht nur das Spannungssignal 13, sondern auch das Übergangssignal 19 zwischen den beiden Integratoren 17 und 18 mit negativem Vorzeichen zu dem Differenzverstärker 16 rückgekoppelt wird. Dieses Übergangssignal 20 entspricht einer Geschwindigkeit xT der Tilgermasse des nachgebildeten mechanischen Schwingungstilgers. Das Maß der Dämpfung ist durch ein Stellglied 23 einstellbar. Weitere Stellglieder 24 bis 26 weisen auf weitere Eingriffsmöglichkeiten in den Schwingkreis 14 hin, um diesen bei Bedarf zu modifizieren. Mit gestrichelten Linien ist in Fig. 4 weiter angedeutet, dass auch das Übergangssignal 19 in den Differenzverstärker 16 rückgekoppelt werden kann und dass zudem die Übergangssignale 19 und 20 auch dem Konditionierer 21 zugeführt werden können, um in das Ansteuersignal 12 einzugehen. Die Stellglieder 23 bis 26 und auch ein Stellglied 27 für ein etwaig rückgekoppeltes Übergangssignal 19 sind dabei keinesfalls auf Potentiometer zum einstellbaren Abschwächen der jeweiligen Eingangsspannung beschränkt. Es kann sich auch um einstellbare Verstärker oder sogar einstellbare Invertierer für die Eingangsspannung handeln. So kann auch eine negative Steifigkeit oder eine negative Dämpfung eines Schwingungstilgers analog nachgebildet werden. Letztlich ist in Fig. 4 ein zusätzlicher Schwingungssensor 38 an der Struktur 1 angedeutet, dessen Signal 39 genutzt wird, um beispielsweise eine dominante Frequenz der Schwingungen der Struktur 1 zu ermitteln, um hierauf die oder eine der Eigenfrequenzen des elektrischen Schwingkreises 14 abzustimmen. Grundsätzlich kann zu diesem Zweck auch das Signal 10 des Schwingungssensors 8 verwendet werden. Es können aber auch noch weitere Schwingungssensoren an der Struktur 1 angeordnet werden. In Fig. 5 ist gezeigt, wie ein flächig ausgebildeter Aktuator 11 an einem flächigen Element 28 der Struktur 1 angeordnet ist, indem er flächig mit diesem verbunden ist. die Steuerung 9 ist hier nur als "Black Box" wiedergegeben, die in Abhängigkeit von dem Signal 10 des Schwingungssensors 8 an der Struktur 1 den Aktuator 8 mit dem Ansteuersignal 12 ansteuert und der elektrische Leistung 28 von außen zugefügt wird. Dabei wird die Übertragungsfunktion der Steuerung 9 zwischen dem Signal 10 und dem Ansteuersignal 12 von dem hier nicht dargestellten Schwingkreis 14 gemäß den Fig. 2 und 4 sowohl bezüglich der Amplitude als auch der Phase bestimmt.
Fig. 6 zeigt einen möglichen Aufbau des Aktuators 11. In einer Umhüllung 29, die sowohl zur elektrischen Isolierung als auch zur mechanischen Stabilisierung dient, ist eine zweidimensional ausgedehnte piezoelektrische Schicht 30 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 30 liegt zwischen zwei Flächenelektroden 31 und 32. Die Flächenelektrode 31 ist hier durch ein Kupfergewebe 33 ausgebildet, während die Flächenelektrode 32 eine Beschichtung 34 der dem Kupfergewebe 33 abgekehrten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 20 ist. Das Ansteuer- Signal 12 wird zwischen den Flächenelektroden 31 und 32 über elektrische Kontakte 35 und 36 angelegt. In Folge einer Spannung zwischen den Flächenelektroden 31 und 32 kommt es zu einer Streckung der piezoelektrischen Schicht 30 in ihrer Haupterstreckungsebene, die sich auf die Umhüllung 29 überträgt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 wirkt sich diese Streckung des Aktuators 8 in einer Wölbung des flächigen Elements 28 der Struktur 1 aus.
Die neue Vorrichtung kann überall dort eingesetzt werden, wo bislang mechanische Schwingungstilger zum Einsatz kommen. Durch die Variabilität bezüglich ihres Arbeitspunkts sind auch viele weitere Anwendungen möglich, bei denen ein Schwingungsproblem nicht oder nicht nur bei einer festen Frequenz auftritt. Eine spezielle Anwendungsmöglichkeit der neuen Vorrichtung stellt die Reduktion von Druckpulsationen in einer Hydraulikleitung zwischen einer Pumpe, die häufig Ursache für die Druckpulsationen ist, und einem Verbraucher dar. Dabei kann der Aktuator der Vorrichtung direkt auf das pulsierende Hydraulikmedium einwirken, so dass er dessen Druckschwingungen reduziert. Hierzu kann ein Teil der Wandung der Hydraulikleitung, insbesondere einer steifen Hydraulikleitung, in der die Druckpulsationen auftreten, durch den Aktuator ausgebildet werden, der orthogonal zum Verlauf der Wandung angesteuert wird. Der Aktuator kann aber auch auf die Hydraulikleitung einwirken, um primär deren Deformationen durch die Druckpulsationen zu reduzieren. Auch damit wirkt er sich reduzierend auf die Druckpulsationen des Hydraulikmediums in der Hydraulikleitung aus. BEZUGSZEICHENLISTE
Struktur 31 Flächenelektrode
Struktursteifigkeit 32 Flächenelektrode
Basis 33 Kupfergewebe
Schwingungstilger 34 Oberflächenschicht
Tilgersteifigkeit 35 elektrischer Kontakt
Tilgermasse 36 elektrischer Kontakt
Vorrichtung 37 flächiges Element
Schwingungssensor 38 Sensor
Steuerung 39 Signal
Signal
Aktuator
Ansteuersignal
Spannungssignal elektrischer Schwingkreis
Spannungssignal
Differenzverstärker
Integrator
Integrator
Übergangssignal
Übergangssignal
Konditionierer
Dämpfung
Stellglied
Stellglied
Stellglied
Stellglied
Stellglied elektrische Leistung
Umhüllung piezoelektrische Schicht

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur (1) mit einem an der Struktur (1) angeordneten Schwingungssensor (8), mit einem an der Struktur (1) angreifenden Aktuator (11) und mit einer den Aktuator (11) in Abhängigkeit von einem Signal (10) des Schwingungssensors (8) ansteuernden Steuerung (9), wobei die Steuerung (9) einen elektrischen Schwingkreis (14) aufweist, der den Verlauf einer Übertragungsfunktion der Steuerung (9) zwischen dem Signal (10) des Schwingungssensors (8) und der Ansteuerung des Aktuators (11) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis aus Operationsverstärkern aufgebaut ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis (14) einen Differenzverstärker (16) und zwei Integratoren (17, 18) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) die Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises (14) dynamisch in Abhängigkeit von einer aktuell dominanten Frequenzkomponente des Signals (10) des Schwingungssensors (8) oder eines weiteren Sensors (38) abstimmt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) aus dem Signal (10) des Schwingungssensors (8) ein wegproportionales Spannungssignal (15) generiert, das in den Schwingkreis (14) rückgekoppelt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) einen Leistungsverstärker für die Ansteuerung des Aktuators mit einer Differenz zwischen einem rückgekoppelten Spannungssignals (13) des elektrischen Schwingkreises und dem wegproportionale Spannungssignal (15) ansteuert.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis der Steuerung (9) analog realisiert oder digital simuliert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) nur an der Struktur (1) abgestützt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) einen Schichtaufbau aus zwei Flächenelektroden (31 und 32) und einer zwischen den Flächenelektroden (31 und 32) angeordneten piezoelektrischen Schicht (30) aufweist, die sich bei Anlegen einer Spannung zwischen den Flächenelektroden (31 und 32) in ihrer Haupterstreckungsebene streckt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) flächig mit einem flächigen Element (37) der Struktur (1) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis (14) mehrere Eigenfrequenzen aufweist.
PCT/EP2007/008460 2006-09-30 2007-09-28 Vorrichtung zur reduktion von schwingungen einer struktur WO2008037487A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07818542A EP2076689A1 (de) 2006-09-30 2007-09-28 Vorrichtung zur reduktion von schwingungen einer struktur
US12/412,505 US20090248209A1 (en) 2006-09-30 2009-03-27 Apparatus for reduction of vibrations of a structure

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006046593A DE102006046593B4 (de) 2006-09-30 2006-09-30 Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur
DE102006046593.8 2006-09-30

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US12/412,505 Continuation US20090248209A1 (en) 2006-09-30 2009-03-27 Apparatus for reduction of vibrations of a structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008037487A1 true WO2008037487A1 (de) 2008-04-03

Family

ID=38728873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/008460 WO2008037487A1 (de) 2006-09-30 2007-09-28 Vorrichtung zur reduktion von schwingungen einer struktur

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20090248209A1 (de)
EP (1) EP2076689A1 (de)
DE (1) DE102006046593B4 (de)
WO (1) WO2008037487A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010003400A1 (de) 2010-03-29 2011-09-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur
DE102016115369A1 (de) * 2016-08-18 2018-02-22 Automotive Lighting Reutlingen Gmbh Lichtmodul eines Kraftfahrzeugscheinwerfers mit Schwingungsdämpfer, Kraftfahrzeugscheinwerfer und Verfahren zum Dämpfen von auf das Lichtmodul wirkenden Schwingungen

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101525741B1 (ko) * 2014-07-29 2015-06-04 단국대학교 산학협력단 능동질량감쇠장치의 최적제어력 산정 및 제어방법

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0517259A2 (de) * 1991-06-07 1992-12-09 Akai Electric Co., Ltd. Schwingungssteuerungsgerät
WO1997011756A1 (en) * 1995-09-29 1997-04-03 Active Control Experts, Inc. Adaptive sports implement
US5812684A (en) * 1995-07-05 1998-09-22 Ford Global Technologies, Inc. Passenger compartment noise attenuation apparatus for use in a motor vehicle
DE19855467A1 (de) * 1998-12-01 2000-06-08 Lucas Ind Plc Vorrichtung mit schwingungsgedämpftem Bauteil, insbesondere eine Bremse
US6138996A (en) * 1997-04-16 2000-10-31 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Vibration control device for automotive panels
US6191519B1 (en) * 1993-01-21 2001-02-20 Trw Inc. Smart structures for vibration suppression
EP1199758A2 (de) * 2000-10-19 2002-04-24 DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Elektromechanisches Funktionsmodul
EP1291551A1 (de) 2001-09-11 2003-03-12 BorgWarner Inc. Schwingungenregelungssystem benutzende, piezoelektrische Elemente
EP1310700A2 (de) * 2001-11-07 2003-05-14 BorgWarner Inc. Riemenspanner mit Schwingungsdämpfung
DE10355624A1 (de) 2003-11-28 2005-07-07 Volkswagen Ag Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer Fahrzeug- oder Maschinenkomponente
WO2005100816A1 (de) * 2004-04-16 2005-10-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Schnittstelle mit schubableitung zum dämpfen mechanischer schwingungen

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4080636A (en) * 1976-03-19 1978-03-21 Ampex Corporation System for damping vibrations in a deflectable transducer
US4093885A (en) * 1976-03-19 1978-06-06 Ampex Corporation Transducer assembly vibration sensor
US4106065A (en) * 1976-03-19 1978-08-08 Ampex Corporation Drive circuitry for controlling movable video head
US4099211A (en) * 1976-09-13 1978-07-04 Ampex Corporation Positionable transducing mounting structure and driving system therefor
US4565940A (en) * 1984-08-14 1986-01-21 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus using a piezoelectric film for active control of vibrations
US4868447A (en) * 1987-09-11 1989-09-19 Cornell Research Foundation, Inc. Piezoelectric polymer laminates for torsional and bending modal control
US5440193A (en) * 1990-02-27 1995-08-08 University Of Maryland Method and apparatus for structural, actuation and sensing in a desired direction
US6252334B1 (en) * 1993-01-21 2001-06-26 Trw Inc. Digital control of smart structures
US5384583A (en) * 1993-05-12 1995-01-24 Scitex Digital Printing, Inc. Ink jet stimulation monitoring
US5660255A (en) * 1994-04-04 1997-08-26 Applied Power, Inc. Stiff actuator active vibration isolation system
US5594168A (en) * 1994-08-10 1997-01-14 Akai Electric Co. Vibration control apparatus having oscillation frequency regulation
US5558477A (en) * 1994-12-02 1996-09-24 Lucent Technologies Inc. Vibration damping system using active negative capacitance shunt circuit with piezoelectric reaction mass actuator
US5714831A (en) * 1995-11-13 1998-02-03 Wisconsin Alumni Research Foundation Method and apparatus for improved control of piezoelectric positioners
US6801247B1 (en) * 1996-12-12 2004-10-05 Nikon Corporation Vibration reduction device and vibration detecting device and micro signal processing device for use in vibration reduction device
DE19725770C2 (de) * 1997-06-18 1999-04-22 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Verwendung einer Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen eines elastischen Systems, mit einem Schwingungstilger
JPH11247605A (ja) * 1997-12-26 1999-09-14 United Technol Corp <Utc> タ―ボマシ―ンコンポ―ネントの振動緩衝方法及び装置
DE19821854C1 (de) * 1998-05-15 1999-07-29 Eras Entwicklung Und Realisati Vorrichtung zum aktiven Unterdrücken von Kontaktschwingungen an einer Walzenanordnung
US6601054B1 (en) * 1999-08-16 2003-07-29 Maryland Technology Corporation Active acoustic and structural vibration control without online controller adjustment and path modeling
US6543620B2 (en) * 2001-02-23 2003-04-08 Quality Research, Development & Consulting, Inc. Smart screening machine
US7567232B2 (en) * 2001-03-09 2009-07-28 Immersion Corporation Method of using tactile feedback to deliver silent status information to a user of an electronic device
US6546927B2 (en) * 2001-03-13 2003-04-15 Aerogen, Inc. Methods and apparatus for controlling piezoelectric vibration
US6469418B1 (en) * 2001-06-27 2002-10-22 Scitex Digital Printing, Inc. Vibration monitoring system and method
JP3804512B2 (ja) * 2001-10-26 2006-08-02 株式会社豊田自動織機 振動子駆動用電源装置
WO2003055063A1 (en) * 2001-12-06 2003-07-03 University Of Pittsburgh Tunable piezoelectric micro-mechanical resonator
US20040027033A1 (en) * 2002-08-08 2004-02-12 Schiller Peter J. Solid-state acceleration sensor device and method
US6946695B2 (en) * 2002-08-08 2005-09-20 Triad Sensors, Inc. Solid-state rotational rate sensor device and method
JP3937982B2 (ja) * 2002-08-29 2007-06-27 ソニー株式会社 入出力装置および入出力装置を有する電子機器
US6881963B2 (en) * 2002-11-08 2005-04-19 Canon Kabushiki Kaisha Vibration control of an object
DE10351243B4 (de) * 2003-10-27 2005-08-18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Adaptiver Schwingungstilger
WO2006046672A1 (ja) * 2004-10-26 2006-05-04 Koichi Hirama 複合共振回路及び同回路を使用した発振回路

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0517259A2 (de) * 1991-06-07 1992-12-09 Akai Electric Co., Ltd. Schwingungssteuerungsgerät
US6191519B1 (en) * 1993-01-21 2001-02-20 Trw Inc. Smart structures for vibration suppression
US5812684A (en) * 1995-07-05 1998-09-22 Ford Global Technologies, Inc. Passenger compartment noise attenuation apparatus for use in a motor vehicle
WO1997011756A1 (en) * 1995-09-29 1997-04-03 Active Control Experts, Inc. Adaptive sports implement
US6138996A (en) * 1997-04-16 2000-10-31 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Vibration control device for automotive panels
DE19855467A1 (de) * 1998-12-01 2000-06-08 Lucas Ind Plc Vorrichtung mit schwingungsgedämpftem Bauteil, insbesondere eine Bremse
EP1199758A2 (de) * 2000-10-19 2002-04-24 DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Elektromechanisches Funktionsmodul
EP1291551A1 (de) 2001-09-11 2003-03-12 BorgWarner Inc. Schwingungenregelungssystem benutzende, piezoelektrische Elemente
EP1310700A2 (de) * 2001-11-07 2003-05-14 BorgWarner Inc. Riemenspanner mit Schwingungsdämpfung
DE10355624A1 (de) 2003-11-28 2005-07-07 Volkswagen Ag Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer Fahrzeug- oder Maschinenkomponente
WO2005100816A1 (de) * 2004-04-16 2005-10-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Schnittstelle mit schubableitung zum dämpfen mechanischer schwingungen

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010003400A1 (de) 2010-03-29 2011-09-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur
DE102010003400B4 (de) * 2010-03-29 2013-11-21 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Abmindern von Schwingungen einer Struktur
DE102016115369A1 (de) * 2016-08-18 2018-02-22 Automotive Lighting Reutlingen Gmbh Lichtmodul eines Kraftfahrzeugscheinwerfers mit Schwingungsdämpfer, Kraftfahrzeugscheinwerfer und Verfahren zum Dämpfen von auf das Lichtmodul wirkenden Schwingungen

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006046593B4 (de) 2009-12-10
EP2076689A1 (de) 2009-07-08
US20090248209A1 (en) 2009-10-01
DE102006046593A1 (de) 2008-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2673531B1 (de) Schwingungsfreie lagerung eines objekts an einer struktur
EP1785642B1 (de) Modulare Schnittstelle zum Dämpfen mechanischer Schwingungen
DE19621700C2 (de) Aktiver Schwingungsminderer
EP0580272B1 (de) Schwingungsdämpfer
DE4041011C2 (de)
DE102014106784A1 (de) Piezoelektrische resonatoren zum verringern von geräuschen und vibrationen bei fahrzeugkomponenten
DE3540431A1 (de) Vorrichtung zur minderung von vibrationen
DE102009021950A1 (de) Federungssteuervorrichtung
WO2009024537A1 (de) System und verfahren zur schwingungsbeeinflussung
DE60210715T2 (de) Piezoelektrische Elemente benutzendes Schwingungsregelungssystem
DE3902604A1 (de) Elastische lagerung, insbesondere kraftfahrzeug-motorlager
DE3902605A1 (de) Elastische lagerung, insbesondere kraftfahrzeug-motorlager
DE102004019242A1 (de) Schnittstelle mit Schubableitung zum Dämpfen mechanischer Schwingungen
DE10351243A1 (de) Adaptiver Schwingungstilger
DE102006046593B4 (de) Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur
DE19725770C2 (de) Verwendung einer Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen eines elastischen Systems, mit einem Schwingungstilger
DE3902603C2 (de) Elastische Lagerung, insbesondere Kraftfahrzeug-Motorlager
DE2213513C2 (de) Steuerschaltung für die magnetische Lagerung eines Körpers
EP1253346A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur schwingungsisolierenden Aufnahme von Lasten
DE602004001812T2 (de) Schwingungsdämpfungseinrichtung
DE19930055B4 (de) Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer rotierenden Welle
DE102016103579B4 (de) Verfahren zum separierten Erfassen von Störgrößen
EP2386775A2 (de) Schwingungstilger
DE102016200394B4 (de) Verfahren zur Steuerung eines Schwingungssystems und Aktuator
DE102014209799A1 (de) Vorrichtung, System und Verfahren zum Dämpfen einer mechanischen Schwingung einer Struktur

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07818542

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007818542

Country of ref document: EP