Zur Vibrationskontrolle und zur Beeinflussung von Vibrationen in Strukturen ist die Verwendung von d31-Piezoplatten oder d31-Piezosegmenten bekannt. d31- Piezoplatten nutzen die elastische Querkontraktion des piezoelektrischen Werk- stoffes. Mehrere Piezoplatten oder-segmente werden nachfolgend kurz als Pie- zostapel bezeichnet. Ein Piezostapel wird von mehreren Piezoelementen, min- destens 2 Piezoelementen, gebildet. Mit den vorgenannten d31-Piezoelementen werden beispielsweise Dehnungen in Trägerstrukturen für Hubschraubergetriebe eingeleitet, um damit die Übertragung von Körperschall auf die Hubschrauberzelle zu unterdrücken. Dabei sind die d31-Piezoelemente entsprechend ihrer Deh- nungsrichtung, die parallel zu der Oberfläche der d31-Elemente wirkt, flächig in die Oberfläche der Trägerstrukturen integriert ; z. B. mittels einer Klebetechnik.

Im Vergleich dazu wirkt die Dehnung in den bekannten d33-Piezoelementen senk- recht zur Oberfläche der Elemente, denn d33-Piezoplatten nutzen die Dehnung des piezoelektrischen Werkstoffes in Richtung des angelegten Feldes.

Die DE 198 13 959 A1 verfolgt das Ziel, eine Einrichtung zur Körperschall- unterdrückung bereitzustellen, die die Übertragung von Maschinenvibrationen und -schwingungen durch eine Trägerstruktur auf eine Zellenstruktur eines Cockpits bei möglichst einfacher Bauweise und mit verhältnismäßig geringem Integrations- aufwand wirkungsvoller reduziert. Die DE 198 13 959 A1 lehrt, dass die Einrich- tung zur Körperschallunterdrückung zumindest einen Piezoaktuator beinhaltet, der Schwingungen in die Trägerstruktur einleitet, um den Körperschall- Übertragungspfad auf die zu isolierende Struktur im Wesentlichen zu sperren und

um die Schallerregung mittels der vorhandenen und erregten Systemmaßen des Schallerzeugers wirkungsvoller zu kompensieren. Diese technische Lehre ist nicht auf eine Anwendung im Hubschrauberbau eingeschränkt. Sie kann in allen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt werden, wo eine Einrichtung zur Kör- perschallunterdrückung notwendig wird.

Im Gegensatz zu anderen, bekannten Dehnungsaktuatoren realisiert der Piezo- aktuator realisiert die Krafteinleitung nicht mehr annähernd punktuell in die Trä- gerstruktur, sondern über eine relativ große Oberfläche der Trägerstruktur. Die Trägerstruktur kann beispielsweise zwischen Hauptgetriebe eines Rotors und ei- ner Zellenstruktur des Cockpits eines Hubschraubers angeordnet sein. Die Trä- gerstruktur wäre in diesem Fall als eine oder mehrere Streben (auch Getriebestre- be genannt). Der Piezoaktuator ist im Wesentlichen entlang des gesamten Um- fangs der Strebe angeordnet und hat eine definierte Ausdehnung in der axialen Richtung der Strebe. Die Krafteinleitung vom Piezoaktuator nach DE 198 13 959 A1 erfolgt über dessen Fläche.

Der Wirkungsgrad der Krafteinleitung ist dort durch die effektiv zu bedeckende Fläche der Strebe begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Dehnungsak- tuator für d33-Piezoelemente zu schaffen, mit dem sich Vibrationen in Strukturen unterdrücken lassen und weiterhin den Wirkungsgrad der Krafteinleitung eines Piezoaktuators deutlich zu erhöhen trotz gegensätzlicher Tendenz einer Verkleine- rung des Bauvolumens des Piezoaktuators.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie alternativ durch die Merkmale des Nebenanspruchs 8 gelöst. Weiterbildun- gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Lösung beruht darauf, dass ein d33-Piezoelement in Form eines Stapels in einem mechanischen Rahmen eingespannt ist, der auf der Oberfläche der Struktur befestigt ist. Neben einer hohen spezifischen, mechani- schen Leistung lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Dehnungsaktuator auch ein guter Wirkungsgrad erzielen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Aufbringung einer in den Aktuator integrierten, mechanischen Vorspannung, mit der sich die für Piezo- elemente so kritischen Zugbelastungen vermeiden lassen. Optional können in den Rahmen Mittel integriert sein, mit denen sich vorteilhaft Hubübersetzungen oder Steifigkeitstransformationen erzielen lassen.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, eine Wirkungsgradver- besserung der Krafteinleitung für den Piezoaktuator zu erzielen, in dem der Ab- stand der Aufsetzflächen zweier Abtriebselemente eines Piezoaktuators gegen- über einer entsprechenden Endplatte des Piezostapels in axialer Richtung zum Strebenende deutlich erhöht ist. Die Abtriebselemente des mechanischen Rah- mens bilden die Kraftübertragungsmittel vom Piezoaktuator zur Strebe. Der damit deutlich vergrößerte Strebenabschnitt zwischen den Aufsetzflächen der beiden Abtriebselemente besitzt eine geringere Steifigkeit, in dessen Folge für die Deh- nung dieses Strebenabschnitts eine geringere Kraft ausreichend ist als bei einer vergleichbaren Anordnung eines Piezoaktuators, wo der Abstand der Aufsetzfla- chen der Abtriebselemente im Wesentlichen der Länge des Piezostapels ent- spricht. Das Piezoelement verwendet auch die d33-Piezoelemente.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 einen Dehnungsaktuator in geschnittener Ansicht, Fig. 2 einen Dehnungsaktuator mit Hubübersetzung,

Fig. 3 eine alternative Ausführung eines Dehnungsaktuators mit Hubübersetzung, Fig. 4 ein Schema einer Strebe mit axial beabstandeten Abtriebselementen eines Piezoaktuators, Fig. 5 einen Ausschnitt einer Strebe mit manschettenförmigen Abtriebsele menten eines Piezoaktuators, und Fig. 6 alternative Ausgestaltung des Abtriebselements mit Aussparungen.

Der in Fig. 1 gezeigte Dehnungsaktuator 1 ist auf der Oberfläche einer Struktur 7 starr befestigt und besteht aus einem d33-Piezostapel 2, zwei Endplatten 3, zwei Abtriebselementen 4 und einem Vorspannelement 6.

Der d33-Piezostapel 2 ist so in seinem mechanischen Rahmen angeordnet, dass seine Ausdehnungsrichtung parallel zur Oberfläche der Struktur 6 verläuft, in wel- che der Dehnungsaktuator 1 seine piezoelektrisch erzeugten Dehnungen über- trägt. Der d33-Piezostapel beansprucht 1/3 des Materialvolumens eines d31- Piezostapels für eine gleichwertige aktive Dehnung.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der mechanische Rahmen aus den beiden auf der Struktur 6 starr befestigten Abtriebselementen 4 gebildet. Dazu sind die Abtriebselemente 4 so auf der Oberfläche der Struktur 7 befestigt, dass ihre Ab- triebsfläche 5 parallel zu der jeweiligen Endplatte 3 des Piezostapels 2 ausge- richtet ist. Die Befestigung der Abtriebselemente 4 auf der Struktur 6 kann mittels bekannten Verbindungstechniken erfolgen ; beispielsweise mittels Kleben.

Die Abtriebselemente 4 können mit ihrer Befestigungsfläche verschieden ge- krümmten oder ebenen Strukturoberflachen angepasst sein. Im gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel ist die Struktur ein Rohr mit einer kreisförmig gekrümmten Oberfla-

che. Die Länge des Piezoaktuators entspricht der Länge des zu dehnenden Stre- benabschnitts.

Der Piezostapel 2 ist zwischen seinen zwei Endplatten 3 aufgenommen und mit einem Vorspannelement 6 auf mechanischer Druckvorspannung gehalten. Mögli- che auf den Dehnungsaktuator 1 einwirkende, schädigende Zugbelastungen wer- den von dieser Druckvorspannung kompensiert und können dadurch nicht auf den Piezostapel 2 einwirken.

Das Vorspannelement 6 kann beispielsweise-wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 symbolisch angedeutet ist-mit einer oder mehreren mechanisch wirkenden Zugfedern realisiert sein. Es ist aber auch möglich, die Endplatten 3 als elastische Platten auszubilden und den Piezostapel 2 mit zusammengedrückten Endplatten 3 unter Druckvorspannung in den mechanischen Rahmen einzusetzen.

Der in Fig. 2 gezeigte Dehnungsaktuator 1 mit Hubübersetzung entspricht dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel bis auf die nachfolgend ge- nannten Abweichungen. Die Endplatten 3 des Piezostapels 2 sind nicht direkt, sondern über einen biegeweichen Drucksteg 8 mit den Abtriebsflächen 5 der Ab- triebselemente 4 verbunden und die Abtriebselemente 4 weisen einen nach innen einseitig offenen, parallel zur Oberfläche der Struktur 7 verlaufenden Schlitz 9 auf.

Weiterhin sind die beiden Abtriebselemente 4 mit einer dehnungssteifen Abstütz- stange 11 starr miteinander verbunden, die jeweils an das freie Ende 10 der Ab- triebselemente 4 angreift. Anstelle von einer Abstützstange 11 können auch zwei parallele Abstützstangen 11 beidseitig zum Piezostapel 2 angeordnet verwendet werden, wie es Fig. 2 mit einer in der Zeichnung erkennbaren Abstützstange 11 entnehmbar ist.

Die biegeweichen Druckstege 8, Schlitze 9 und Abstützstange 11 bilden an jedem Abtriebselement 4 drei Gelenke"a","b"und"c", um die sich Hebelabschnitte der Abtriebselemente 4 drehen können und eine Hubübersetzung in dem Dehnung- saktuator 1 erzeugen.

Fig. 3 zeigt einen Dehnungsaktuator mit Hubübersetzung in einer zu Fig. 2 alter- nativen konstruktiven Ausführung der Abtriebselemente 4 und Gelenke"a","b" und"c". Die Wirkung von Hebelabschnitten um die Gelenke"a","b"und"c"ent- spricht im Prinzip dem vorangehend zu Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Abtriebselemente 4 sind hier mit einem im Gelenk"a"gelagerten Hebel 12 ausgebildet. Mit einem ersten Hebelabschnitt 13 beabstandet vom Gelenk"a"ist auf dem Hebel 12 das Gelenk"b"angeordnet, an welches der Piezostapel 2 mit einem Abtriebssteg 14 angreift.

Mit einem zweiten Hebelabschnitt 15 beabstandet vom Gelenk"b"ist auf dem He- bel 12 Gelenk"c"angeordnet. An Gelenk"c"greift die Abstützstange 11 an.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Strebe 16. Die Strebe kann beispielsweise ein Stahl- rohr mit einer jeweils an dem Ende angeschweißten Befestigungsöse sein. Solch eine Strebe wird beispielsweise in 4-facher Ausführung verwendet, um das Haupt- getriebe des Rotors eines Hubschraubers mit der Zellenstruktur des Cockpits des Hubschraubers verbinden. Das Hauptgetriebe befindet sich dabei oberhalb der Decke der Zellenstruktur des Cockpits. Die Verbindung zwischen beiden erfolgt an 4 Orten durch jeweils eine Strebe 16. Das Hauptgetriebe des Rotors ist eine der Hauptquellen für die Lärmerzeugung im Cockpit. Da die Strebe 16 an der Schnitt- stelle zwischen Hauptgetriebe und Zellenstruktur sitzt, ist es zweckmäßig, an der Strebe elastische Form-änderungen zu erzeugen, die die über die Strebe einge- leiteten Kräfte im Wesentlichen kompensieren können. Dies erfolgt beispielsweise

durch eine steuerbare Formänderung (Dehnung oder Kontraktion) der Strebe 16 in ihrer axialen Richtung X. Die gesteuerte, elastische Formänderung wird durch den Piezoaktuator 17 realisiert, der in einem bestimmten Abschnitt D der Strebe eine Formänderung, insbesondere eine Längenänderung in axialer Richtung X veran- lasst. Auch bei der Strebe 16 nach Fig. 4 sind je Piezostapel zwei Abtriebsele- mente 18,19 angeordnet. Die Abtriebselemente 18,19 sind jedoch nicht unmittel- bar nach der Endplatte 20,21 eines Piezostapels 22 mit der Oberfläche der Stre- be 16 verbunden, sondern die Aufsetzflächen 23,24 der Abtriebselemente 18,19 sind in axialer Richtung X gegenüber der Endplatte 20,21 des Piezostapels 22 beabstandet. Der Piezostapel 22 muss nicht unmittelbar auf der Oberfläche der Strebe anliegen. An der Aufsetzfläche 23,24 wird die vom Piezostapel 22 er- zeugte Kraft auf die Strebe 16 eingeleitet. Diese Kraft erzeugt eine elastische Formänderung in einem Abschnitt D der Strebe 16 zwischen den beiden Aufsetz- flächen 23,24.

Der Abschnitt D entlang des Strebenumfangs umfasst die zutreffende abschnitts- weise, räumliche Struktur der Strebe, kurz Abschnitt D genannt. Die dortige elasti- sche Formänderung kompensiert die Vibrationskraft in der Strebe 16, und zwar im Bereich der Schnittstelle Strebe-Zellenstruktur.

Der piezoelektrische Dehnungsaktuator 17 wird aus d33-Piezoelementen gebildet, die zu einem Piezostapel 22 angeordnet sind. Die beiden Enden des Piezostapels 22 werden durch Endplatten 20,21 begrenzt. An diesen Endplatten 20,21 sind die Abtriebselemente 18,19 angeordnet. Der Ort der Krafteinleitung eines Abtriebs- elements 18,19 auf der Strebe 16 ist gegenüber der Endplatte 20,21 in axialer Richtung X hin zur Befestigungsöse 160,161 beabstandet. Die Gewinnung eines solchen Abstandes ist verbunden mit der Gewinnung eines beidseitig an den End- platten des Piezostapels angreifenden Hebelarmes. Je ein Hebelarm E, F wird gebildet durch das Abtriebselement 18,19. Die Hebelarme E, F vergrößern den

Abschnitt D um deren Länge, denn ursprünglich entsprach der Abschnitt D nur der Länge des Piezostapels.

Die bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Dehnungsaktuators beispielswei- se erzeugte Zugkraft wird über die Abtriebsfläche der Abtriebselemente in die Strebe eingeleitet. Der zwischen den Abtriebsflächen 23,24 liegende Abschnitt D der Strebe 16 wird somit einer gesteuerten Formänderung in axialer Richtung X ausgesetzt. Dabei handelt es sich um eine elastische Formänderung. Gegenüber der vorangehend beschriebenen Lösung nutzt diese alternative Lösung die gerin- gere Steifigkeit eines vergrößerten Strebenabschnittes. Damit wird der Wirkungs- grad der Krafteinleitung eines Piezoaktuators 17 deutlich erhöht. Es wird somit möglich, einen deutlich kleineren Piezostapel einzusetzen, ohne einen Wirkungs- gradverlust hinnehmen zu müssen.

In Abhängigkeit einer Anordnung der Piezostapel entlang des Umfangs der Strebe kann eine vielachsige Beeinflussung der Formänderung des bezeichneten Ab- schnitts D der Strebe 16 gesteuert werden.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung kann beispielsweise auch in den Innenraum ei- ner rohrförmigen Strebe angeordnet werden.

Wie Fig. 4 weiterhin zeigt, wird diese elastische Formänderung des Abschnitts D mittels einer Regeleinrichtung 25 geregelt. Die Regeleinrichtung hat im Bereich jedes Abtriebselements 18,19 vorzugsweise in Nähe der Aufsetzfläche 23,24 einen Sensor 26, der ein Signal über die quantitative Größe der vorliegenden Vib- rationskräfte ermittelt und an die Regeleinrichtung liefert. Die Regeleinrichtung 25 regelt den Piezostapel 22 so, dass vom Piezostapel eine Kraft erzeugt und über die Abtriebselemente 18,19 auf die Strebe 16 eingeleitet wird, zur Erzeugung ei- ner elastischen Formänderung des Strebenabschnitts D.

Der Abstand D zwischen den Aufsetzflächen 23,24 kann veränderlich einstellbar gemacht werden, indem mindestens ein Hebelarm E, F vergrößerbar und verklei- nerbar ausgebildet ist.

Die voranstehenden Erläuterungen gelten analog für den Piezoaktuator 170 in Fig.

4 mit den Abtriebselementen 180,190 und den Piezostapel 220 mit den Endplat- ten 200, 210.

Fig. 5 zeigt ausschnittsweise ein Ausführungsbeispiel für eine Strebe 30, wobei die beiden Befestigungsösen an den Enden der Strebe 30 nicht dargestellt sind.

Fig. 5 zeigt drei Piezostapel 31,32,33, die mit den Abtriebselementen 35,36 ei- nen Piezoaktuator 34 bilden. Diese Piezostapel 31,32,33 sind beispielsweise um 120° gegeneinander versetzt. Jeder der Piezostapel kann gegenüber der Oberflä- che der Strebe beabstandet sein. Sie können jedoch auch auf der Oberfläche der Strebe 30 angeordnet sein. Ersteres wird im Beispiel gezeigt.

Die axiale Achse der Piezostapel ist in Richtung der axialen Achse X der Strebe 30 ausgerichtet. Jeder der Piezostapel ist zwischen zwei Abtriebselementen 35, 36 angeordnet. Die beiden je einen Piezostapel 31,32,33 greifenden Abtriebs- elemente 35,36 haben jeweils eine Ringfassung 37,38 ausgebildet, die die Stre- be 30 form-und kraftschlüssig entlang deren Umfangsfläche umschließt. Ausge- hend von der Ringfassung 37,38 öffnet sich das Abtriebselement 35,36 glocken- förmig wie eine Manschette, die vom Rand der Ringfassung beginnend bis zu ih- rem ringförmigen Rand von der Strebe beabstandet ist. Diese Gestalt wird als ringförmige Manschette 39,40 bezeichnet. Auf dem Rand 41 der Manschette 39 liegt jeweils ein Ende der Piezostapel 31,32,33 auf. Das jeweils andere Ende der drei Piezostapel 31,32,33 liegt am Rand 42 der Manschette 40 auf.

Die Ringfassung 37,38 der Manschette 39,40 ist von ausreichender Steifigkeit und Festigkeit, die einer Aufsetzfläche 370,380 entspricht, die kraft-und form- schlüssig in Umfangsrichtung mit der Oberfläche der Strebe 30 verbunden ist. Ü- ber die Aufsetzfläche 370,380 erfolgt die Einleitung der von den Piezostapeln 31, 32,33 erzeugten Kräfte. Ein solches konstruktiv ausgebildetes Abtriebselement 35,36 gestattet eine Wirkung in einer Vielzahl von Raumachsen. Es bestehen somit variablere Gestaltungsmöglichkeiten der Krafteinleitung in die Strebe 30.

Die Kräfte und Biegemomente, die in die Strebe 30 eingeleitet werden, können zu einer Auslenkung in longitudinaler (axialer) Richtung, zu einer lateralen Biegeaus- lenkung in einer beliebigen Richtung als auch zur Torsion der Strebe 30 eingesetzt werden.

Diese elastische Formänderung betrifft auch bei der Strebe 30 einen Strukturbe- reich entlang des Abschnitts D.

Durch die Verwendung von mindestens zwei um die Strebe angeordneten Piezo- stapeln kann, bei geeigneter Ansteuerung der einzelnen Piezostapel, die Strebe in longitudinaler und lateraler Richtung ausgelenkt werden. Eine entsprechende Steuer-oder Regeleinrichtung ist bei Fig. 5 nicht dargestellt.

Es ist auch möglich, durch schräges Einsetzen der Piezostapel, d. h. eine zur Längsachse X der Strebe 30 gekippte Anordnung mindestens eines Piezostapels, eine Torsionskraft einzuleiten.

Fig. 6 zeigt eine mögliche weitere Ausgestaltung eines Abtriebselements. Es wird ein einzelnes Abtriebselement 360 ohne Strebe und ohne Piezostapel gezeigt.

Das Abtriebselement 360 wird in Richtung der axialen Achse X einer Strebe ge- führt und mittels ihrer Ringfassung 390 an der Oberfläche der Strebe befestigt. An

der Ringfassung ist eine Manschette 400 ausgebildet. Diese Manschette 400 weist Aussparungen 401 auf, so dass Gewicht des Abtriebselements gespart werden kann. Die Manschette 400 hat beispielsweise drei Arme ausgebildet, die zueinan- der im Winkel von 120° angeordnet sein können. Diese drei Arme der Manschette 400 werden an ihrem Ende durch einen Ring 420 verbunden und begrenzt. Dieser Ring 420 bildet den Rand der Manschette 400. Auf dem Rand der Manschette wird jeweils ein Ende eines Piezostapels angeordnet.

Nach einer weiteren Ausgestaltung (nicht dargestellt) ist es auch möglich, ein Ab- triebselement 360 partiell in Teilabtriebselemente zu unterteilen. Hierzu werden in einer Richtung entlang des Umfangs einer Strebe segmentweise nacheinander Teilabtriebselemente formschlüssig miteinander angeordnet und verbunden. Bei Blickrichtung in X-Achse ist ein Abtriebselement in einzelne (keilförmige) Seg- mente teilbar, die um die X-Achse angeordnet sind. Somit wird das Abtriebselement segmentweise aus Teilabtriebselementen zusammengesetzt. Beispielsweise das Abtriebselement nach Fig. 5 könnte bei drei Piezostapeln aus drei Teilabtriebs- elementen zusammengesetzt sein. Diese Anordnung von Teilabtriebselementen ist eine einfache Möglichkeit zum Nachrüsten einer bereits installierten Strebe am Hubschrauber.

Eine solche Anordnung ermöglicht es, die vom Hauptgetriebe ausgehenden Vib- rationen gegenüber der Zellenstruktur des Cockpits eines Hubschraubers in effi- zienter Weise für den Piloten und die Passagiere spürbar zu reduzieren.