Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduktion von Vibrationen einer
Struktur längs einer Schwingungsausbreitung, insbesondere in einem
Hubschrauber, sowie ein Verfahren zur Reduktion von Vibrationen einer Struktur.
Zellenstrukturen von Hubschraubern unterliegen merklichen Vibrationen. Diese
werden z. B. durch die Rotation des Hauptrotors verursacht und verlaufen unter
anderem auch längs einer Schwingungsausbreitungsrichtung im Innenraum der
Kabine. Insbesondere sind sie für die Kabinenvibrationen am Pilotensitz
verantwortlich, was zu einer wesentlichen Beeinflussung des Piloten führt.
Zur Reduktion der Vibrationen werden am Hauptrotor üblicherweise
Vibrationstilger verwendet, mit denen zwar statische Kräfte übertragen,
Vibrationen aber herausgefiltert werden können. Aus EP 0 519 786 B1 ist ein
derartiger Vibrationstilger bekannt. Dieser besteht im wesentlichen aus zwei
koaxial liegenden Gehäusen, zwischen denen elastische Rückholmittel
angebracht sind, die die beiden Gehäuse miteinander verbinden.
Bei dem bekannten Vibrationstilger besteht das Problem, daß das Gesamtgewicht
des Hubschraubers merklich erhöht wird. Außerdem können derartige
Schwingungstilger aufgrund der ständig ändernden Drehzahl des Hauptrotors
keine optimale Wirkung entfalten, da sich die Fähigkeiten zur Tilgung von
Vibrationen mit variierenden Schwingungsdauern bei den bekannten
Vibrationstilgern nicht mit der notwendigen Geschwindigkeit anpassen lassen.
Hinzu kommt, daß der Aufbau sehr komplex ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Reduktion
von Vibrationen einer Struktur zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und mit der
es möglich ist, Vibrationen mit ständig variierenden Schwingungsdauern wirksam
zu reduzieren. Außerdem soll die Vorrichtung leicht am vibrationsfrei zu
haltenden Ort, z. B. dem Pilotensitz in der Kabine, angebracht werden können.
Zur Lösung der Aufgabe besitzt eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß zwei Schwingkörper der Masse m1 und m2 an den Enden einer
Feder, wobei die Feder und/oder die Schwingkörper derart ausgebildet sind, daß
die Resonanzeigenschaften in einem für die Reduktion der Vibrationen
maßgeblichen Bereich variabel einstellbar sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung reduziert die auftretenden Vibrationen in
einem weiten Frequenzspektrum. Dabei paßt sie sich den dauernd wechselnden
Frequenzen selbständig und schnell an. Sie ist kompakt und läßt sich aus diesem
Grund auch leicht innerhalb der Kabine, z. B. neben dem Pilotensitz anbringen,
um diesen Bereich vibrationsfrei zu halten.
Vorzugsweise sind zur Regelung der Resonanzeigenschaften der Vorrichtung
Mittel an den Schwingkörpern und in der Mitte, d. h. im Fußpunkt, der Feder
angebracht, mit denen die Bewegung dieser Komponenten relativ zur Umgebung
aufgenommen werden. Abhängig von der Phasendifferenz zwischen der
Schwingung des Schwingkörpers der Masse m1 und der Schwingung des
Fußpunktes einerseits und der Phasendifferenz zwischen der Schwingung des
Schwingkörpers der Masse m2 und des Fußpunktes andererseits verändern
daraus abgeleitete Stellgrößen die Resonanzeigenschaften des Feder/Masse-Sys
tems so lange, bis die Absorption der Vibrationen durch die Vorrichtung, d. h.
die Reduktion der Vibrationen der Struktur, maximal ist.
Zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den Bewegungen der
Schwingkörper und der Bewegung des Fußpunktes enthält die Vorrichtung
bevorzugt Phasendetektoren mit einem Regelausgang, der mit den dort
abgegebenen Stellgrößen in Abhängigkeit der von den Detektoren festgestellten
Phasendifferenzen die Resonanzeigenschaften ändert. Somit ist über die
Phasendetektoren ein Regelkreis ausgebildet, der an den verschiedenen
Positionen die Schwingungen des Feder/Masse-Systems über die Mittel zur
Messung der Bewegung aufnimmt, in den Phasendetektoren vergleicht und über
die Regelausgänge so lange die Resonanzeigenschaften ändert, bis die Reduktion
der Vibrationen der Struktur optimal ist. Bei den Phasendetektoren handelt es
sich vorteilhafter Weise um Multiplexer mit Regelausgang.
Bevorzugt findet auch ein Vergleich der Bewegungen der Schwingkörper
untereinander statt, indem an den Schwingkörpern angebrachte Mittel die
Bewegung der Schwingkörper aufnehmen, um in Abhängigkeit der Amplituden
differenz der Bewegungen die Resonanzeigenschaften des Feder/Masse-Systems
zu verändern, bis die Unterschiede der beiden Schwingungsamplituden sich in
einem vorgegebenen Intervall befinden.
Werden Mittel zur Messung der Bewegung eingesetzt, sind diese vorzugsweise als
Beschleunigungssensoren ausgebildet. Es sind aber durchaus auch andere
Detektoren einsetzbar, mit denen es möglich ist, die beschleunigten Bewegungen
der Schwingkörper, d. h. die Schwingungen, aufzunehmen. Bei gleichzeitiger
Messung der Bewegung der Schwingkörper zur Ermittlung der Phasendifferenz
und Messung der Bewegung der Schwingkörper zur Ermittlung der
Amplitudendifferenz ist an jedem Schwingkörper nur ein Mittel zur Messung der
Bewegung angebracht, gleichbedeutend damit, daß für beide Messungen nur ein
Beschleunigungssensor ausgebildet ist und die Signale der
Beschleunigungssensoren sowohl für den Phasenvergleich als auch für den
Amplitudenvergleich Verwendung finden.
Bevorzugt werden Amplitudenregler mit einem Regelausgang in der Vorrichtung
eingesetzt, um die Amplitudendifferenz zwischen den Bewegungen der beiden
Schwingkörper der Masse m1 und m2 zu bestimmen. Die über den Ausgang in
Abhängigkeit der vom Amplitudenregler festgestellten Amplitudendifferenz
abgegebenen Stellgrößen verändern daraufhin die Resonanzeigenschaften des
Feder/Masse-Systems. Der hier über den Amplitudenregler ausgebildete
Regelkreis nimmt die Bewegungen der Schwingkörper auf und vergleicht die
Amplituden der Schwingungen mit einem Sollwert bzw. einem Sollwertintervall,
woraufhin der Regelausgang des Amplitudenreglers die Resonanzeigenschaften
so lange ändert, bis die gemessene Amplitudendifferenz den vorgegebenen Wert
erreicht bzw. im vorgegebenen Intervall liegt. Bei dem Amplitudenregler handelt
es sich vorteilhaft um einen Komparator mit Regelausgang.
Bei gleichzeitiger Regelung der Resonanzeigenschaften über die Phasendifferenz
zwischen den Bewegungen der Schwingkörper und des Fußpunktes der Feder
und Regelung über die Amplitudendifferenz zwischen den Bewegungen der
Schwingkörper enthält die Vorrichtung vorzugsweise ein Logikbauteil, welches
die Stellgrößen aus den beiden Regel kreisen aufnimmt und zu Gesamtstellgrößen
zur Veränderung der Resonanzeigenschaften zusammenfaßt.
Die Veränderung der Resonanzeigenschaften des Feder/Masse-Systems können
über Modifikationen an der Feder oder dem Federmaterial vorgenommen werden,
um die Federkonstante und somit die Resonanzeigenschaften der Feder direkt zu
beeinflussen bzw. zu verändern. Vorteilhaft ist es aber, wenn zumindest
Massenanteile Δm1 und Δm2 der Schwingkörper der Massen m1 und m2 längs
der Schwingungsausbreitungsrichtung verschiebbar angebracht sind. Durch diese
Verlagerung der Massenschwerpunkte der Schwingkörper verändern sich die
Schwingungseigenschaften des Feder/Masse-Systems der Vorrichtung, was zu
einer Änderung der Resonanzeigenschaften führt. Natürlich ist es auch möglich,
die gesamten Schwingkörper der Masse m1 und m2 längs der
Schwingungsausbreitungsrichtung zu verschieben.
Zur Verschiebung der Massenanteile Δm1 und Δm2 können beliebige Mittel
beitragen, bevorzugt verschieben aber Verstelleinrichtungen die Massenanteile
längs der Schwingungsausbreitungsrichtung, so daß sich abhängig von der durch
die Verstelleinrichtung vorgegebenen Stellung der Massenanteile Δm1 und Δm2
die Schwerpunkte der Schwingungskörper nach außen bzw. nach innen
verschieben. Selbiges gilt natürlich auch für die Verschiebung der gesamten
Schwingkörper der Massen m1 und m2.
Vorteilhaft handelt es sich bei den Verstelleinrichtungen um Steppermotoren, die
über Spindelantriebe das Verschieben der Massenanteile Δm1 und Δm2 bzw. der
gesamten Schwingkörper der Massen m1 und m2 bewerkstelligen.
Durch den Einsatz von Steppermotoren ist die jeweilige Stellung des Motors
bekannt und kann gezielt verändert werden. Die Spindelantriebe wandeln die
Rotationsbewegung der Steppermotoren in eine lineare Verschiebung der
Massenanteile bzw. der gesamten Schwingkörper entlang der
Schwingungsausbreitungsrichtung um. Eine gezielte Veränderung der Stellung
der Motoren verschiebt somit die Massenanteile in die gewünschte Richtung um
eine vorgegebene Strecke.
Der folgende Teil der Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduktion
von Vibrationen längs einer Schwingungsrichtungsrichtung, insbesondere in
einem Hubschrauber.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll weiterhin sein, ein Verfahren zur
Reduktion von Vibrationen längs einer Schwingungsausbreitungsrichtung
bereitzustellen, mit der insbesondere in einem Hubschrauber durch einfache Art
Vibrationen mit ständig variierenden Schwingungsdauern wirksam reduziert
werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der vorbeschriebenen Art,
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung zweier an den
Enden einer Feder angebrachten Schwingkörper der Masse m1 und m2 und die
Bewegung des mittleren Bereiches der Feder, d. h. des Fußpunktes,
aufgenommen werden und die Resonanzeigenschaften des Systems aus Feder
und Schwingkörper in Abhängigkeit der Phasendifferenz zwischen den
masseseitigen Bewegungen und der fußpunktseitigen Bewegung bis zum
Erreichen eines Zielwerts der Phasendifferenz über Stellgrößen verändert werden.
Es ist von Vorteil, wenn der Zielwert der Phasendifferenz bei 90° eingestellt wird,
da unter normaler Versuchsdurchführung hier ein Maximum an Reduktion der
Vibrationen erreicht wird. Allerdings können auch Umstände vorliegen, die es
notwendig machen, daß der Zielwert der Phasendifferenz auf einen anderen Wert
als 90° eingestellt wird.
Bevorzugt werden auch die Bewegungen der Schwingkörper aufgenommen und
die Resonanzeigenschaften in Abhängigkeit der Amplitudendifferenz zwischen
den Bewegungen der Schwingkörper über Stellgrößen verändert, bis die
gemessene Amplitudendifferenz einen eingestellten Sollwert erreicht oder
innerhalb eines Sollwertintervalls liegt.
Bei gleichzeitiger Regelung der Resonanzeigenschaften über die Messung der
Phasendifferenz zwischen den Bewegungen der Schwingkörper und der
Bewegung des Fußpunktes der Feder und über die Messungen der
Amplitudendifferenz zwischen den Bewegungen der Schwingkörper ist es zwar
möglich, daß die Regelungen nacheinander durchgeführt werden, vorteilhaft ist
es aber, die aus den verschiedenen Messungen resultierenden Stellgrößen zu
Gesamtstellgrößen zusammenzufassen, womit eine Beeinflussung der beiden
Regelungen untereinander unterbunden wird, bei der unterschiedliche
Änderungen der Resonanzeigenschaften nacheinander abgearbeitet werden.
Bei einer Zusammenfassung der verschiedenen Stellgrößen zu einer
Gesamtstellgröße wird die Regelung der Resonanzeigenschaften aus der
Messung der Phasendifferenz vorteilhafter Weise so lange ausgesetzt, wie eine
Regelung aus der Messung der Amplitudendifferenz stattfindet. Dabei wird der
anstehende Regelvorgang aus dem gemessenen Phasenvergleich ausgesetzt und
nicht anschließend abgearbeitet, da eine Regelung aus dem Amplitudenvergleich
Einfluß auf eine Regelung des Phasenvergleichs haben kann, so daß diese
Regelung wieder eingesetzt wird, wenn der Amplitudenabgleich abgeschlossen
ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier in Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten,
Merkmale und Vorzüge ergeben.
Es zeigt
Fig. 1 eine in einem Diagramm dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Reduktion von Vibrationen längs einer
Schwingungsausbreitungsrichtung mit einer Regelung über die
Messung der Phasendifferenz,
Fig. 2 eine Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit einer zusätzlichen
Regelung über die Messung der Amplitudendifferenz.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Reduktion von Vibrationen in einer Struktur
längs an einer Schwingungsausbreitungsrichtung I-II. Hierbei handelt es sich um
eine als Blattfeder ausgebildete Feder 10 an deren Enden sich zwei
Schwingkörper der Massen m1 und m2 20, 20' befinden, um ein Feder/Masse-Sys
tem zu bilden, das durch die Vibrationen in Resonanz gebracht wird, wodurch
diese in der Struktur reduziert werden.
Die Schwingkörper 20, 20' sind derart ausgebildet, daß Massenanteile (21, 21')
Δm1 und Δm2 über Spindelantriebe 22 bzw. 22' längs der Achse I-II relativ zur
Feder verschoben werden, um die Resonanzeigenschaften zu verändern. Die
Hauptmassenanteile 23, 23' der Schwingkörper 20, 20' verändern ihre Position
bezüglich der Feder nicht und dienen gleichzeitig zur Aufnahme der
Spindelantriebe 22, 22' auf der masseseitigen Seite. Auf der jeweils
gegenüberliegenden Seite der Massenanteile 21, 21' werden die Spindelantriebe
22, 22' von Motoren 24, 24' aufgenommen, die gleichzeitig für den Antrieb der
Spindelantriebe 22, 22' und somit für ein Verschieben der Massenanteile 21, 21'
sorgen. Somit bilden die Motoren 24, 24' über die von diesen angetriebenen
Spindelantriebe 22, 22' einen Übergang zu den Hauptmassenanteilen 23, 23',
wobei die Massenanteile 21, 21' auf Spindelantrieben, d. h. den Verbindungen,
durch Drehung dieser längs der Schwingungsausbreitungsrichtung verschoben
werden. Eine Veränderung der Resonanzeigenschaften kann aber auch dadurch
umgesetztwerden, daß die gesamten Schwingkörper 20, 20' längs der
Schwingungsausbreitungsrichtung I-II verschoben werden. Hierzu müssen
allerdings Aufhängungspunkte für die Spindelantriebe 22, 22' auf den den
Motoren 24, 24' abgewandten Seiten an der Feder angebracht werden, da die
Hauptmassenanteile 23, 23' entfallen.
Zur Aufnahme der Bewegung und somit zur Bestimmung der aktuellen
Resonanzeigenschaften des Systems aus Feder 10 und Schwingkörper 20, 20'
sind am Fußpunkt 11 der Feder 10 und an den Schwingkörpern 20, 20'
Beschleunigungssensoren 30, 31, 32 angebracht. Die Signale 30', 32' der
Bewegungen der schwingkörperseitigen Beschleunigungssensoren 30, 32 werden
jeweils in einem Phasendetektor 40 und 41 mit Regelausgang 40a bzw. 41a mit
dem Signal 31' der Bewegung des fußpunktseitigen Beschleunigungssensors 31
verglichen. Die Phasendetektoren 40, 41 überprüfen die Phasenlage zwischen
dem am Fußpunkt 11 befestigten Beschleunigungssensors 31 mit jeweils einem
schwingkörperseitigen Beschleunigungssensor 30 bzw. 32. Über die
Regelausgänge 40a, 41a geben die Phasendetektoren die Ausgangssignale 40'
bzw. 41' aus, die über Signalverstärker 50, 51 in Stellgrößen für die Motoren 24,
24' verstärkt werden. Selbstverständlich kann bei Phasendetektoren mit hoher
Ausgangsleistung auf Signalverstärker verzichtet werden.
Stellt ein Phasendetektor 40 bzw. 41 eine Abweichung von der eingestellten
Phasendifferenz von 90° zwischen den jeweiligen schwingkörperseitigen
Bewegungen und der fußpunktseitigen Bewegung fest, so steuert er über die
Ausgangssignale 40', 41' d. h. die Stellgrößen 50', 51' so lange den der
abweichenden schwingkörperseitigen Bewegung zugeordneten Motor 24 bzw. 24'
an und verschiebt somit über die Spindelantriebe 22 bzw. 22' die Massenanteile
21 bzw. 21', bis die Resonanzeigenschaften sich soweit geändert haben, bis die
Phasendifferenz 90° beträgt.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform enthält neben der in Fig. 1
beschriebenen Regelung über die Phasendifferenz zwischen der
schwingkörperseitigen Bewegung und der fußpunktseitigen Bewegung eine
zusätzliche Regelung über die Amplitudendifferenz der schwingkörperseitigen
Bewegung.
Diese zusätzliche Regelung verringert den möglichen Fehler unter
Extrembedingungen, der durch eine Beeinflussung beider Schwingkörper 20, 21
in ihrer Bewegung über die Feder 10 untereinander und bei einer alleinigen
Regelung über die Phasendifferenz zu einem unkorrekten Abgleich führen kann.
Für diese zusätzliche Regelung vergleicht ein Amplitudenregler 60 mit
Regelausgang 60a die Signale 30' und 32' der Bewegungen der
schwingpunktseitigen Beschleunigungssensoren 30, 32 untereinander.
Unterscheiden sich die Amplituden der beiden Schwingungen um mehr als 10%,
so reagiert der Amplitudenregler 60 über seinen Regelausgang 60a mit einem
Regelsignal 60', um die Amplituden wieder in das vorgegebene Intervall zu
bringen. Um Beeinflussungen der Regelung über die Phasendifferenz und über die
Amplitudendifferenz zu unterbinden, werden die Ausgangssignale 40', 41' aus
den Phasendetektoren 40, 41 und das Regelsignal 60' in einem Logikbaustein 70
zusammengefaßt, welches mit Ausgangsgrößen 70' bzw. 70'' reagiert. Diese
Ausgangsgrößen 70', 70'' werden über Signalverstärker 50, 51 in
Gesamtstellgrößen 50'', 51'' für die Motoren 24, 24' an den Schwingkörpern 20,
20' verstärkt. Liegen die Amplituden der beiden schwingkörperseitigen
Bewegungen innerhalb des vorgegebenen Intervalls, so gibt der Amplitudenregler
60 kein Regelsignal 60' über den Regelausgang 60a aus, was dazu führt, daß die
Ausgangssignale 40', 41' ohne Beeinflussung durch den Logikbaustein geführt
werden.
Bei einer Abweichung der Amplituden aus dem vorgegebenen Intervall werden die
Ausgangssignale 40', 41' der Phasendetektoren 40, 41 im Logikbaustein 60
solange unterdrückt, wie die Regelung über den Amplitudenregeler 60 aktiv ist.
Dabei gibt der Logikbaustein Ausgangsgrößen 70', 70'' aus, die einen Motor 24
bzw. 24' so ansteuern, daß die zuletzt ausgeführt Bewegungsrichtung umgekehrt
wird und ein Massenanteil 21 bzw. 21' so lange in diese Richtung verschoben
wird, bis die Regelung durch den Amplitudenregler 60 stoppt und die Regelung
über die Phasendetektoren wieder einsetzt, weil die Amplituden der Bewegungen
der Schwingkörper 20, 20' im vorgegebenen Intervall liegen. Über eine derartige
Regelung durch zwei kombinierte Regelkreise lassen sich eventuelle Regelfehler
möglichst gering halten.
Die Vorrichtung die hier für den Einsatz in einem Hubschrauber beschrieben
wurde und über den Fußpunkt der Feder am Pilotensitz befestigt werden kann,
kann aber aufgrund der kompakten Bauweise überall dort eingesetzt werden, wo
Vibrationen längs einer Schwingungsausbreitungsrichtung in einem System
gedämpft werden sollen, was auch z. B. im Automobilbau notwendig sein kann.