Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Schwingungstilgung einer mechanischen Struktur mit wenigstens einem mit der mechanischen Struktur in Wirkverbindung stehenden elektromechanischen Wandlerwerkstoff, der mit einer wenigstens eine elektrische Impedanz aufweisenden elektrischen Schaltungsanordnung verbunden ist.

Stand der Technik

Gattungsgemäße Vorrichtungen zur Schwingungstilgung dienen der gezielten Dämpfung bestimmter Schwingungszustände einer mechanischen Struktur, in dem die Schwingungsenergie der in Schwingungen versetzten mechanischen Struktur gezielt entzogen wird. Aus einer Reihe von Druckschriften, der DE 40 37 786, DE 41 21 746 C2 sowie DE 199 57 774 C1 , um nur einige zu nennen, gehen mechanische Tilgersysteme hervor, die allesamt über eine Tilgermasse verfügen, die über eine zumeist aus Elastomerwerkstoff bestehende Federanordnung elastisch an die mechanische Struktur gekoppelt ist und der mechanischen Struktur im Falle einer resonanten Schwingungsüberhöhung Schwingungsenergie entzieht, die letztlich aufgrund der nicht idealen Feder in Wärme umgewandelt wird.

Neben der mechanischen Ausführung bekannter Tilgersysteme sind überdies elektromechanische Tilgersysteme bekannt, die den direkten piezoelektrischen Effekt ausnutzen. Hierbei wird an eine in Schwingung versetzbare mechanische Struktur ein vorzugsweise flächig ausgebildetes piezokeramisches Folienelement appliziert oder in diese integriert. Selbstverständlich ist es auch möglich anstelle einer

Piezokeramik zu dieser ähnlich wirkende multifunktionale, vorzugsweise elektromechanische Wandlerwerkstoffe einzusetzen, die grundsätzlich in der Lage sind, Schwingungsenergie in Form von auf den jeweiligen Wandlerwerkstoff einwirkenden Deformationen in elektrische Energie durch entsprechende materialinhärente Ladungspolarisation umzuwandeln, die im weiteren im Wege einer an den Wandlerwerkstoff angeschlossenen elektrischen Impedanz in Wärme umgesetzt wird. Auch können magnetostriktive Materialien hierzu eingesetzt werden, die ihre magnetischen Eigenschaften durch Formänderung zu verändern vermögen, und bei geeigneter elektrischer Beschaltung Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Beschaltung ausüben, um eine gezielte Dämpfung auf die schwingende Struktur zu bewirken.

Die elektrische Impedanz besteht im einfachsten Fall aus einem Ohm'schen Widerstand, dessen Widerstandswert die Dämpfungseigenschaften des elektromechanischen Tilgungssystems entscheidend zu beeinflussen vermag. Weist die an den elektromechanischen Wandlerwerkstoff angeschlossene elektromechanische Impedanz neben dem Ohm'schen Widerstand auch eine Induktivität auf, so bildet sich bei entsprechender Beschaltung aufgrund der kapazitiven Eigenschaften des piezokeramischen Wandlerwerkstoffes ein elektrischer Schwingkreis aus, durch den die Energieumwandlung von Schwingungsenergie in elektrische Energie deutlich gesteigert werden kann. Ein derartiges auf einer semi-passiven Dämpfung beruhendes elektromechanisches Tilgersystem ist beispielsweise aus einem Beitrag von D. Mayer et al., „Synthetische Induktivitäten für die seni-passive Dämpfung", Tagungsband 5. Magdeburger Maschinenbautage, 19.-20.09.2001 , S. 63-72, entnehmbar.

Eine Anpassung der Tilgereigenschaften erfolgt im Falle elektromechanischer Tilgersysteme, die verglichen zu den mechanischen Systemen ungleich kompakter und zuverlässiger in ihrer Funktion ausgebildet werden können, über eine Änderung der jeweiligen elektronischen Bauteilparameter. Üblicherweise erfolgt eine derartige Anpassung im Vorfeld der Umsetzung durch elektronische bzw. elektromechanische Auslegung des elektromechanischen Tilgersystems.

Ein grundsätzliches Problem das mechanischen wie auch elektromechanischen Tilgersystemen anhaftet betrifft die frequenzspezifische Auslegung in Bezug auf eine gezielt zu dämpfende Eigenfrequenz der mechanischen Struktur, an der das Tilgersystem zum Einsatz kommen soll, d.h. das Tilgersystem wird so ausgelegt, dass der Tilgungspunkt und die Eigenfrequenz der mechanischen Struktur zusammenfallen. Typischerweise sind an sich bekannte Tilgersysteme lediglich für einen Tilgungspunkt bzw. über die Dämpfung definiert bzw. für ein sehr schmales Tilgungsband ausgelegt. Ändern sich die mechanischen Eigenschaften der zu dämpfenden mechanischen Struktur, d.h. fallen Tilgungspunkt und Eigenfrequenz der zu tilgenden Struktur nicht mehr überein, so verliert das Tilgungssystem seine Wirkung. In besonders kritischen Fällen ist es sogar denkbar, dass eine Frequenzverstimmung zwischen Tilgungspunkt und Eigenfrequenz der an sich zu dämpfenden mechanischen Struktur dazu führt, dass die mechanische Struktur bei einer geänderten Eigenresonanz schwingt und dies mit Schwingungsamplituden die im Vergleich zu einer ungetilgten mechanischen Struktur deutlich größer ausfallen. Demzufolge besteht der Wunsch, die Tilgereigenschaften bedarfsgerecht, im Idealfall automatisch nachzustimmen. Derartige Ansätze finden sich in der Auslegung sogenannter aktiver bzw. adaptiver Tilgersysteme, bei denen der aktuelle Schwingungszustand einer zu dämpfenden mechanischen Struktur sensoriell erfaßt und in Abhängigkeit des aktuell erfaßten Schwingungszustandes wenigstens ein an der mechanischen Struktur vorgesehener Aktor in Gegenschwingungen versetzt wird, wodurch dem störenden Schwingungszustand der mechanischen Struktur aktiv entgegen gewirkt werden kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Schwingungstilgung einer mechanischen Struktur mit wenigstens einem mit der mechanischen Struktur in Wirkverbindung stehenden elektromechanischen Wandlerwerkstoff, der mit einer wenigstens eine elektrische Impedanz aufweisenden elektrischen Schaltungsanordnung verbunden ist, derart auszubilden, dass eine nachträgliche und individuelle Anpassung der Tilgereigenschaften des elektromechanischen

Wandlerwerkstoffes und der mit diesem elektrisch verbundenen Schaltungsanordnung an sich verändernde Resonanzeigenschaften der mechanischen Struktur möglich wird und dies mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln. Die hierzu zu treffenden Maßnahmen sollen überdies bei der Produktentwicklung mechanischer Strukturen einsetzbar sein, um schnell und kostengünstig störende Resonanzschwingungszustände mechanischer Strukturen aufzufinden und zu vermeiden zu helfen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Schwingungstilgung einer mechanischen Struktur ist Gegenstand des Anspruches 11. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.

Eine lösungsgemäße Vorrichtung zur Schwingungstilgung einer mechanischen Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Schaltung mit einer Schnittstelle verbunden ist, über die mittels drahtloser oder drahtgebundener Kommunikation mit einer getrennt zur elektrischen Schaltungsanordnung angeordneten Steuereinheit die wenigstens eine elektrische Impedanz veränderlich einstellbar ist. Hierbei weist die elektrische Impedanz eine Verschaltung von zumindest einem Ohm ^' schen Widerstand und/oder einer Induktivität und/oder einer Kapazität in einem elektrischen Schaltkreis auf, wobei die elektrischen Kenngrößen des Widerstandes der Induktivität sowie der Kapazität jeweils veränderbar ausgebildet sind, vorzugsweise kontinuierlich veränderlich ausgebildet sind. Auf diese Weise kann ein vollschwingungsfähiger, elektrischer Schaltkreis mit individuell, vorzugsweise online abstimmbaren Schwingungseigenschaften bzw. Schwingungszuständen konfektioniert werden, d.h. die elektrische Imedanz wird während des Betriebs der sich in Schwingungen befindlichen mechanischen Struktur bzw. ohne hardwaretechnische Änderungen angepasst.

Durch eine fernsteuerbar einstellbare Anpassung der die elektrische Impedanz bestimmenden elektronischen Bauteilparameter der elektromechanischen Schwingungstilgungsvorrichtung ist es möglich, z.B. die Eigenfrequenzen von mechanischen Strukturen messtechnisch On- oder Offline, entweder erstmalig vor oder kontinuierlich bzw. mehrmals während des Betriebes der mechanischen Struktur zu erfassen und mittels drahtloser oder drahtgebundener Fernsteuerung eine elektronische Anpassung der Tilgereigenschaften ferngesteuert vorzunehmen. Die Fernsteuerung ist insbesondere bei sich bewegenden mechanischen Strukturen drahtlos auszubilden, beispielsweise im Wege einer Infrarotdatenübertragung oder Funkübertragung unter Verwendung beispielsweise des Bluetooth-Protokolls um störende Verbindungsleitungen zu vermeiden. Hierzu ist es erforderlich am Ort des elektromechanischen Tilgersystems eine entsprechende Sende-Empfangseinheit vorzusehen, die in Kommunikation mit einer getrennt von dem Tilgersystem anzuordnenden Steuereinheit tritt, von der aus entsprechende elektronische Anpassungsbefehle abgesetzt werden können. Handelt es sich hingegen um ortsfeste mechanische Strukturen, so dass eine drahtgebundene elektrische Impedanzanpassung durchgeführt werden kann, so gilt es vorzugsweise lediglich am Ort der mit dem elektromechanischen Wandlerwerkstoff verbundenen elektrischen Schaltung eine geeignete Schnittstelle vorzusehen, in die eine Verbindungsleitung zur Steuereinheit einsteckbar ist.

In an sich bekannter Weise eignet sich als elektromagnetischer Wandlerwerkstoff piezokeramische oder elektrostriktiv wirkende keramische Werkstoffe sowie auch magnetostriktive Legierungen. Je nach Ausbildung der zu dämpfenden bzw. zu tilgenden mechanischen Struktur ist der elektromechanische Wandlerwerkstoff in Faser-, Draht-, Patch- oder Folienform auszubilden, und entweder auf die Struktur zu applizieren oder in die mechanische Struktur zu integrieren. Denkbar ist auch der Einsatz von Stapel aus Wandlermaterial, so genannten Piezostacks, oder Verbünden aus Wandlermaterial mit anderen Werkstoffen. In allen Fällen gilt es den elektromechanischen Wandlerwerkstoff mit einer elektronischen Schaltung zu verbinden, in der wenigstens ein Ohm'scher Widerstand, eine Induktivität und/oder eine Kapazität, vorzugsweise zur Ausbildung eines elektrischen Schwingkreises

vorgesehen sind. Wenigstens einer der im elektrischen Schaltkreis vorhandenen Komponenten, vorzugsweise alle, verfügen über veränderliche Bauteilparameter, so dass eine an die sich ändernden Resonanzeigenschaften individuell anpassbare elektrische Gesamtimpedanz der elektrischen Schaltung möglich ist. So lässt sich im Wege einer veränderlichen Einstellung des Ohmschen Widerstandes das Dämpfungsverhalten des Schaltkreises einstellen, wodurch zugleich auch das Maß an Schwingungsenergie bestimmt wird, die der schwingenden mechanischen Struktur entzogen wird. Durch die Wahl der Induktivität wird in Analogie zu einem mechanischem Feder-Masse Schwingungssystem die Größe der Masse und durch die Wahl der Kapazität die Steifigkeit bzw. die Federhärte gewählt, um im Bild der vorstehenden Analogie aus Mechanik zu bleiben.

Durch die lösungsgemäße fernsteuerbare Einstellung der die Tilgungseigenschaften bestimmenden elektronischen Bauteilparameter der elektrischen Schaltung ist es somit möglich, einen beschalteten elektromechanischen Wandler in standardisierter Ausführungsform vorzusehen und diesen an eine mechanische Struktur zu applizieren. Erst im Einsatz der mechanischen Struktur kann diese vermittels des elektromechanischen Tilgersystems vermessen werden, wobei das Tilgersystem individuell auf das aktuelle Schwingungsverhalten der mechanischen Struktur einstellbar ist.

Von besonderem Vorteil derartiger fernsteuerbaren Tilgersysteme ist die Anwendung im Entwicklungsprozess mechanischer Strukturen, während dem in an sich bekannterWeise vielfältige Änderungen zu Zwecken einer Strukturoptimierung hinsichtlich Struktureigenschaften vorgenommen werden. Erst nach Abschluss der Strukturentwicklung können die optimalen, hier elektronischen Tilgerparameter festgestellt werden, die letztlich als feste, nicht veränderbare Schaltungsparameter im Rahmen eines Lowcost-Bauteils in einer unveränderlichen Serienstruktur eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Schwingungstilgung mechanischer Strukturen unter Verwendung einer fernsteuerbar einstellbaren elektrischen Impedanz, die mit dem mit der mechanischen Struktur verbundenen elektromechanischen Wandlerwerkstoffes verbunden ist, eröffnet die

Möglichkeit einer zielgerichteten und ökonomischen Bauteilentwicklung unter optimierten Schwingungsvorgaben, d.h. die ermittelten bzw. eingestellten Eigenschaften würden dann als fixierte Bauteilparameter hardwaretechnisch umgesetzt.

Neben der Bauteilentwicklung ist eine weitere interessante Anwendungsmöglichkeit die Wartung von Schwingungen ausgesetzten mechanischen Strukturen, bei denen es gilt in zeitlich festgelegten oder anders, z.B. aus Messungen bestimmbaren Wartungsintervallen ihr Schwingungsverhalten zu überprüfen und gegebenenfalls bei festgestellten Veränderungen im Schwingungsverhalten entsprechende Korrekturen oder gar einen Austausch der Strukturen vorzunehmen. Das lösungsgemäß ausgebildete und fernsteuerbare Schwingungstilgungssystem ermöglicht aufgrund seiner nur geringen Masse, kompakten Ausbildungsform bei Verwendung mikroelektronischer Bauelemente und fehlenden Zu- und Ableitungen im Falle drahtloser Signalübertragung ein Minimum an das struktureigene Schwingungsverhalten störenden Einflüssen, so dass eine nahezu unverfälschte Schwingungsuntersuchung möglich wird.