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    • 专利摘要:
    Bei einer Vorrichtung (1) zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch ein primäres schwingungsfähiges System (2), das eine Eigenfrequenz f¶prim¶ aufweist, wobei die Vorrichtung (1) ein an das primäre System (2) angekoppeltes sekundäres schwingungsfähiges System (4) aufweist, wobei die Ankopplung eine Verschiebung der Eigenfrequenz f¶prim¶ des primären Systems (2) mit Zustandsänderungen des sekundären Systems (4) bewirkt und wobei eine Eigenfrequenz f¶sek¶ des sekundären Systems (4) zu der Eigenfrequenz f¶prim¶ des primären Systems (2) in einem ganzzahligen Verhältnis steht, ist die Ankopplung des sekundären Systems (4) an das primäre System (2) so, dass sie auch eine Verschiebung der Eigenfrequenz f¶sek¶ des sekundären Systems (4) mit Zustandsänderungen des primären Systems (2) bewirkt.
    公开号:DE102004030701A1
    申请号:DE200410030701
    申请日:2004-06-25
    公开日:2006-01-19
    发明作者:Meinhard Wolfgang Gillhoff；Monika Dipl.-Biol. Dr.rer.nat. Junge；Jörg Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Melcher
    申请人:Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt eV；
    IPC主号:F16F15-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahmevon Schwingungsenergie durch ein primäres schwingungsfähiges Systemmit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
    [0002] DasprimäreschwingungsfähigeSystem ist typischerweise ein elastisches System, das durch externe Schwingungsanregungenim Bereich seiner Eigenfrequenz bis in den Bereich einer Resonanzkatastrophehinein anregbar ist. Die hier beschriebene Vorrichtung dient dazu,die Resonanzkatastrophe zu verhindern.
    [0003] Grundsätzlich istes möglich,die Resonanzkatastrophe eines Systems durch eine hohe passive Dämpfung desSystems selbst zu verhindern, d.h. durch Mittel, die die eingetrageneSchwingungsenergie in dem System selbst in Wärme umwandeln. Häufig istder hierfürzu betreibende Aufwand jedoch unverhältnismäßig groß oder einer hohen passivenDämpfungdes Systems selbst stehen andere Hinderungsgründe im Wege, wie beispielsweisedie Notwendigkeit einer relativ hohen Steifigkeit des Systems, dieder Verwendung von energiedissipativen Werkstoffen, wie sie zurUmwandlung der Schwingungsenergie in Wärme notwendig sind, entgegenstehen.
    [0004] Zuraktiven Schwingungsdämpfungsind so genannte Schwingungstilger bekannt, die eine Tilgereigenfrequenzim Bereich der Eigenfrequenz des primären schwingungsfähigen Systems,dessen Schwingungen zu dämpfensind, aufweisen und die durch die Schwingun gen des primären schwingungsfähigen Systems ihrerseitszu Schwingungen angeregt werden. Hierdurch wird dem primären schwingungsfähigen SystemEnergie entzogen, die auf den Schwingungstilger übertragen und in diesem inWärme umgewandeltwird. Nachteilig ist hier, dass ein Schwingungstilger nur in einemengen Bereich um seine Tilgereigenfrequenz eine Schwingungsdämpfung desprimärenschwingungsfähigenSystems bewirkt. Dieser Bereich wird zwar durch die Dämpfung desTilgers gegenübereinem reinen Federmassesystem aufgeweitet, doch reicht dies nichtaus, um einer sich durch beispielsweise äußere Einflüsse verschiebenden Eigenfrequenzdes primärenSystems zu begegnen. Derartige Verschiebungen können sich beispielsweise durchTemperaturveränderungenoder unterschiedliche Belastungen des primären schwingungsfähigen Systemsergeben.
    [0005] Esist auch bekannt, ein schwingendes System im engeren Sinne aktivdadurch zu dämpfen,dass Kräfte über einenAktuator in das System eingeleitet werden. Wenn diese Kräfte gegenphasigzu den Schwingungsanregungen des primären schwingungsfähigen Systemseingeleitet werden, kann die Schwingungsanregung des primären schwingungsfähigen Systemseffektiv unterdrücktwerden. Die Wirkungsweise des Aktuators entspricht dabei einer Einstellungder Steifigkeit des primärenschwingungsfähigenSystems gegenüber denexternen Anregungen auf einen unendlich hohen Wert.
    [0006] Umgekehrtist es auch möglich,durch aktiven Aktuatoreingriff die effektive Steifigkeit eines primären schwingungsfähigen Systemsgegenüberexternen Anregungen auf null einzustellen, so dass das primäre schwingungsfähige Systemgegenüberden es anregenden Kräftenunendlich weich ist, und so ein nennenswerter Energieübertragvermieden wird. Der apparative Aufwand für einen aktiven Aktuatoreingriffist in jedem Fall sehr hoch.
    [0007] Danebenist es mit aktiven Stellvorrichtungen möglich, die Eigenfrequenz desprimärenschwingungsfähigenSystems zu verstellen, um sie aus dem Bereich der aktuell auftretendenanregenden Frequenzen herauszubewegen. Die hierfür zu treffenden Maßnahmensind aber häufigsehr aufwändigbzw. verbieten sich durch Randbedingungen des primären schwingungsfähigen Systems.
    [0008] DieRealisierungsmöglichkeitenvon Vorrichtungen, die eine aktive Nachführung der Tilgereigenfrequenzeines Schwingungstilgers bei einer sich ändernden Eigenfrequenz oderAnregungsfrequenz eines primärenschwingungsfähigenSystems bewirken, sind zwar etwas günstiger, doch sind die Einstellmittelauch hier häufignoch sehr aufwändigebenso wie eine Steuerung, die das jeweilige Einstellmittel ansteuert.
    [0009] Diesgilt grundsätzlichfür alleSchwingungsdämpfungen,die auf Systemen mit Parametern basieren, welche insbesondere dann,wenn sich diejenigen des primärenschwingungsfähigenSystems verändern,in einer solchen Weise aufeinander abgestimmt werden müssen, dasssich die gewünschteSchwingungsdämpfungfür dasprimäreschwingungsfähigeSystem ergibt.
    [0010] EineVorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs1 ist aus Cartmell, Lawson, 1994: "Performance Enhancement of an AutoparameticVibration Absorber by Means of Computercontrol", Journal of Sound and Vibration (1994),177 (2), 173-195, bekannt. Hierbei handelt es sich um ein so genanntesautoparametrisches Gesamtsystem, bei dem die Schwingungsmoden desprimärenschwingungsfähigenSystems und des sekundärenschwingungsfähigenSystems derart gekoppelt sind, dass es in der Folge eines Energieübertragsvon Schwingungsenergie von dem primären schwingungsfähigen Systemauf das sekundäreschwingungsfähigeSystem zu Rückwirkungenvon dem sekundärenschwingungsfähigenSystem auf schwingungsrelevante Parameter des primären schwingungsfähigen Systemskommt. D.h., die Eigenfrequenz des primären schwingungsfähigen Systemswird durch das Schwingen des sekundären schwingungsfähigen Systemsbeeinflusst. Hierdurch tritt eine gewisse Begrenzung der Energieaufnahmedes primärenschwingungsfähigenSystems durch im Frequenzraum schmalbandige Anregungen auf. Beider bekannten Vorrichtung sind überdiesMittel vorgesehen, um die Eigenfrequenz des sekundären schwingungsfähigen Systemszu verstellen, um sie an unterschiedliche Eigenfrequenzen des primären schwingungsfähigen Systemsso anzupassen, dass die Eigenfrequenz des sekundären schwingungsfähigen Systemsdoppelt so groß istwie die Eigenfrequenz des primärenschwingungsfähigenSystems.
    [0011] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalendes Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, mit der auchbei Änderungender Eigenfrequenz des primärenschwingungsfähigenSystems aufgrund äußerer Einflüsse eine wirksamereBegrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre schwingungsfähige Systemerreicht wird.
    [0012] DieAufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalendes Patentanspruchs 1 gelöst.Bevorzugte Ausführungsformender neuen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 beschrieben.
    [0013] Dieneue Vorrichtung ist ein mehrfach autoparametrisches Gesamtsystem,in dem die Ankopplung des sekundärenSystems an das primäreSystem neben einer Verschiebung der Eigenfrequenz des primären Systemsmit Zustandsänderungendes sekundärenSystems auch eine Verschiebung der Eigenfrequenz des sekundären Systemsmit Zustandsänderungendes primärenSystems bewirkt wird. Die Schwingungsmoden der beiden Systeme beeinflussensich also wechselseitig; anders gesagt sind sie wechselseitig gekoppelt,währendim Stand der Technik die Kopplung nur einseitig gegeben ist. Damitwird die Voraussetzung füreinen Energieübertragauf das primäreschwingungsfähigeSystem durch externe Kräfteim Frequenzbereich im Umfeld der Eigenfrequenz des primären Systems,auf die die Eigenfrequenz des sekundären Systems abgestimmt ist, weiterverschlechtert, was der gewünschtenBegrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre schwingungsfähige Systemin einem größeren Frequenzbereichentspricht. Wenn hier in diesem Zusammenhang von einer Verschiebungder Eigenfrequenz des primärenund des sekundärenschwingungsfähigenSystems mit Zustandsänderungendes jeweils anderen Systems die Rede ist, bedeutet dies keine langfristigenVerschiebungen der Eigenfrequenzen, wie sie durch externe Einflüsse auftreten.Vielmehr spielen sich diese Verschiebungen der Eigenfrequenz während derDauer der längerenSchwingung der beiden schwingungsfähigen Systeme ab. Bereits imMittel übervergleichsweise kurze Zeiträumebetrachtet bleiben die Eigenfrequenzen der beiden schwingungsfähigen Systemewie auch bei einem einfach autoparametrischen Gesamtsystem gleich.Die kurzfristigen Verschiebungen der Eigenfrequenzen, die für eine Begrenzung derAufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre schwingungsfähige Systemausreichend sind, sind aber bei dem neuen, mindestens doppelt autoparametrischenSystem besonders ausgeprägt.
    [0014] Dienotwendige Kopplung der beiden schwingungsfähigen Systeme, bei der sichZustandsänderungen desjeweils einen Systems auf die Eigenfrequenz des jeweils anderenSystems auswirken, kann dadurch bewirkt werden, dass sich die Zustandsänderungendes anderen Systems auf schwingungsrelevante Parameter des jeweilseinen Systems direkt oder indirekt auswirken. In dem typischen Fallelastischer Systeme sind beispielsweise Auswirkungen elastischerZustandsänderungendes einen Systems auf elastische Eigenschaften des anderen Systemsvorzusehen. Konkrete Beispiele hierzu werden in der Figurenbeschreibungangegeben.
    [0015] DieAbstimmung der Eigenfrequenzen ist so, dass die Eigenfrequenz dessekundärenSystems zu der Eigenfrequenz des primären Systems in einem ganzzahligenVerhältnissteht. Vorzugsweise ist die Eigenfrequenz des sekundären Systems2n-mal so groß wiedie Eigenfrequenz des primärenSystems, wobei n eine positive ganze Zahl ungleich null ist. Besondersbevorzugt ist die Eigenfrequenz des sekundären Systems doppelt so groß wie dieEigenfrequenz des primärenSystems. Dies hat typischerweise den größten möglichen Einfluss auf die Energieaufnahmedes primärenschwingungsfähigenSystems durch seine Schwingungsanregung.
    [0016] Wiebereits angegeben wurde, sind die Eigenfrequenzen des primären unddes sekundärenschwingungsfähigenSystems bei einer neuen Vorrichtung im Mittel fest und ändern sichnur kurzzeitig. Durch die wechselseitige Kopplung der beiden schwingungsfähigen Systemeist die neue Vorrichtung dabei nicht auf eine sehr präzise Abstimmungder Eigenfrequenzen der beiden Systeme aufeinander angewiesen. Dennoch kann,insbesondere dann, wenn größere Änderungender Eigenfrequenz eines der Systeme durch äußere Einflüsse zu erwarten sind, zusätzlich eineVerstimmbarkeit der mittleren Eigenfrequenz eines oder beider Systemevorgesehen sein. Hierfürsind dann ggf. entsprechende Verstellmittel vorzusehen.
    [0017] Umdie aufgenommene Schwingungsenergie zu dissipieren, ist bei einerneuen Vorrichtung mindestens eines der Systeme passiv gedämpft, alsomit Schwingungsenergie in Wärmeumwandelnden Mitteln versehen. Vorzugsweise sind beide Systeme passivgedämpft.
    [0018] Beider neuen Vorrichtung kann ein Aktuator zur Anregung des sekundären Systemsvorgesehen sein. Dieser Aktuator ist nicht zwingend notwendig, dadas sekundäreSystem in der Regel allein durch Schwingungen des primären Systemsangeregt wird. Auch eine gewünschtePhasenbeziehung zwischen den beiden Systemen stellt sich typischerweisevon selbst ein. Da aber grundsätzlichauch chaotische oder sogar eine die Schwingungen des primären SystemsverstärkendePhasenbeziehungen oder eine erst verspätet einsetzende Anregung dessekundärenSystems denkbar sind, macht es Sinn, das sekundäre System willkürlich zuSchwingungen in definierter Phasenbeziehung zu dem primären Systemanzuregen. Diese Phasenbeziehung geht, wenn sie einmal eingeregeltist, in der Regel nicht mehr verloren, d.h. sie ist stabil, odersie kann zumindest mit geringem Aufwand aufrecht erhalten werden.
    [0019] EineSteuerung, die den Aktuator ansteuert und die eine feste Phasenbeziehungzwischen den beiden Systemen einregelt, kann vergleichsweise einfachsein, weil keine Amplitudensteuerung notwendig ist. Vielmehr reichtes aus, dass die Phasen der beiden Systeme aufeinander abgestimmtwerden.
    [0020] Idealerweiseist die Phasenbeziehung der beiden Systeme so, dass sie eine relativeAnfangsphase von null aufweisen, d. h. die schnellere Schwingungdes sekundärenschwingungsfähigenSystems als Oberschwingung des primären schwingungsfähigen Systemserscheint.
    [0021] ImFolgenden wird die Erfindung anhand einer exemplarischen Erläuterungdes zugrunde liegenden Prinzips und von konkreten Anwendungsbeispielennäher erläutert undbeschrieben. Dabei zeigt
    [0022] 1 alsillustratives Beispiel der neuen Vorrichtung mit einem an ein physikalischesPendel als primäresschwingungsfähigesSystem angekoppelten Stehpendel als sekundäres schwingungsfähiges System;
    [0023] 2 dietatsächlicheEigenfrequenz des physikalischen Pendels bei der Vorrichtung gemäß 1 über denWinkel der Auslenkung des Pendels;
    [0024] 3 dieAuftragung der Amplituden des primären und des sekundären Systemseinmal ohne (a und b) und einmal mit (c und d) doppelter autoparametrischerKopplung der Schwingungsmoden;
    [0025] 4 einegegenüber 1 durcheinen Aktuator zur Anregung des Stehpendels ergänzte Vorrichtung;
    [0026] 5 einekonkrete Anwendung der neuen Vorrichtung an einer Brücke; und
    [0027] 6 einekonkrete Anwendung der neuen Vorrichtung an dem Tragflügel einesFlugzeugs.
    [0028] Beider in 1 gezeigten Vorrichtung 1 sind zwei schwingungsfähige Systemedoppelt miteinander gekoppelt: ein primäres System 2 in Formeines physikalischen Pendels 3 und ein sekundäres System 4 in Formeines Stehpendels 5. Das physikalische Pendel 3 istkein elastisches System, weil seine Rückstellkraft gegenüber einerDrehung um eine obere Drehachse 6 um einen Winkel φ nicht elastischist, sondern auf Gravitationskräftenberuht. In der dargestellten Form entspricht das Pendel 3 fasteinem mathematischen Pendel, d.h. Fadenpendel, besitzt jedoch einemassebehaftete Stange, wodurch seine Masse örtlich verteilt ist. An seinemunteren Massekörperist das Stehpendel 5 als astasiertes Pendel feststehendangebracht. Der Stab des Stehpendels 5 ist flexibel undkann sich elastisch verbiegen. Das Stehpendel 5 ist inForm von Biegeschwingungen schwingungsfähig, wobei sein oberer Massekörper 8 seitlichum x und in senkrechter Richtung um y auslenkt wird. Zur Vereinfachungsei jedoch zunächstnur die seitliche Auslenkung betrachtet. Das sekundäre System 4 besitztseine erste Biegeeigenfrequenz f0,sek ≕ f0,as bei einem ganzzahligen Vielfachen derEigenfrequenz des primärenSystems 2 f0,prim ≕ f0,ph: f0,sek =n·f0,prim mit n = 1,2,3, ... .
    [0029] Schwingtdas sekundäreSystem, 4 verändertes das Trägheitsmomentdes primärenSystems 2 Jph periodisch. Es wirktalso wie ein autoparametrisches System, weil es einen schwingungsrelevantenParameter des primärenSystems 2 periodisch verändern kann. Je nach Phasenlageder Schwingung kann nun eine Verstärkung oder auch eine Reduktionder Schwingungen des primärenSystems 2 erwirkt werden. Das sekundäre System 4 ist jedochzusätzlichso ausgelegt, dass das primäreSystem 2 auch das sekundäre System 4 autoparametrischanregen bzw. beeinflussen kann. Die zugehörigen Bewegungsgleichungender Vorrichtung 1 gemäß 1 sinddurch die beiden inhomogenen, gekoppelten Diffentialgleichungen
    [0030] Grundsätzlich sindderartige Systeme zweifach miteinander gekoppelt:
    [0031] DieseKopplung erfolgt unten an der Befestigung des Stehpendels 5.Es wirken jeweils die KräfteFext,ph und Fph→as.Für denvorliegenden Fall gilt beispielsweise in guter Näherung gemäß des Hookschen Gesetzes unddes Trägheitsgesetzes:
    [0032] BeideKräftesind also zeitvariant. Die Größen lph und las sind diejeweiligen Längender Pendel und Bas ist die Biegesteife Bas = Eas·Ias.
    [0033] Eas ist der Elastizitätsmodul und Ias dasTrägheitsmoment
    [0034] DerZusammenhang zwischen der effektiven Masse und der effektiven Steifigkeitdes astasierten Pendels ist durch die Gleichungen
    [0035] Beidieser Kopplungsart wirken die jeweiligen parametrischen Beeinflussungen,die auch direkt der DGL zu entnehmen sind, bei der die Abhängigkeitder Kenngrößen deseinen Systems von der Zustandgröße des anderenSystems angegeben ist: Bei dem physikalischen Pendel 3 sind dasTrägheitsmomentJph und der Abstand des Schwerpunktesvon der Drehachse 6 sph vonder Zustandsgröße x dessekundärenSystems abhängig.Umgekehrt sind bei dem astasierten Pendel die effektive MasseMas und die effektive Steifigkeit Kas von der Zustandsgröße φ abhängig. Damitwerden beide Eigenfrequenzen f0,as =f0,as(φ)und f0,ph = f0,ph(x)parametrischund periodisch verändert.
    [0036] Diesedurch Messungen ermittelbare Kennlinien haben beispielsweise denVerlauf gemäß 2.Einerseits bewirkt also eine Lageänderung die Eigenfrequenz desStehpendels 5, andererseits bewirkt eine Pendelbewegungdes Stehpendels 5 eine Änderungder Eigenfrequenz des physikalischen Pendels 3.
    [0037] DieKonsequenz dieser Effekte ist die Zeitvarianz der jeweiligen Eigenfrequenzen.Sobald die Eigenfrequenzen sich zeitlich verändern, ist die jeweilige strukturelleAntwort im Frequenzraum „verschwommen". Die kinetischeEnergie wird durch diese Zeitvarianz auf einen größeren Frequenzbereichverteilt.
    [0038] Damitsind großeAmplitudenüberhöhungen nichtmehr möglich.Die Schwingungen beider Systeme 2 und 4 werdenin Bezug auf ihre Amplituden begrenzt.
    [0039] Simulationsergebnisse,die auf der Plattform Matlab/Simulink® durchgeführt wordenund in 3a) bis d) wiedergegeben sind,dokumentieren die Leistungsfähigkeiteines doppelt gekoppelten autoparametrischen Systems bei der Vorrichtung 1.In 3a) sind die Amplituden von Schwingungen des primären Systems 2 bei einerAnregung nahe seiner Eigenfrequenz ohne autoparametrische Kopplungan das sekundäreSystem 4 dargestellt; 3b) zeigtentsprechend die Amplituden von Schwingungen des sekundären Systems 4.Demgegenüberzeigen die 3c) und d) mit geänderterSkalierung der Amplitudenachse die viel kleineren Amplituden vonSchwingungen des primärenSystems 2 und des sekundären Systems 4 beidoppelter autoparametrischer Kopplung der Systeme.
    [0040] Einein 4 gezeigte Variante der Vorrichtung 1 umfassteine zusätzlicheaktive Ansteuerung von Aktuatoren 9, z.B. von Piezoaktuatoren 10,die an dem Stehpendel 5 angebracht sind. Mit diesen Aktuatoren 9 werdenKräfteFext,as generiert, die den Amplitudengangund die Phasenlage des sekundärenSystems 4 direkt beeinflussen bzw. vorgeben. Die Ansteuerungkann übereine Steuerung in Form eines Reglers erfolgen, der sein Eingangsignalvon einem Sensor (z. B. einem Beschleunigungsaufnehmer) an dem physikalischen Pendel 3 erhält. MitHilfe geeigneter Schaltungen sind sehr einfach Signale der doppeltenFrequenz generierbar, die phasenkorrekt auf den Piezoaktuator gegebenwerden. Auch bei dieser Ausführungsformder Vorrichtung 1 handelt es sich um ein selbstorganisierendesSystem. Darüberhinaus besteht mit Hilfe des Aktuators die Möglichkeit, ein evtl. auftretendesungewolltes Verhalten des Pendelsystems zu korrigieren, z. B. dasAbdriften in ein deterministisch chaotisches Verhalten.
    [0041] Diewesentlichen Vorteile einer doppelt autoparametrischen Vorrichtung 1 zurBegrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch das primäre System 2 – mit oderohne Aktuatoren 9 – sind: DieSchwingungsregulierung ist breitbandig wirksam. Die jeweils erreichbareBandbreite hängtvon dem Kopplungsgrad und den Systemparametern ab.
    [0042] DieSchwingungsregulierung ist sehr effizient. So genannte Resonanzkatastrophensind nur noch in dem Fall der Verstärkung möglich, also nur bei ganz bestimmtenPhasenlagen des primärenund des sekundärenSystems, die vermeidbar sind.
    [0043] Selbstim Fall geringer DämpfungenDph bzw. Das desprimärenund des sekundärenSystems lassen sich gute Begrenzungen der Amplituden erreichen.
    [0044] DasGesamtsystem ist nicht empfindlich gegenüber Änderungen der Randbedingungen(Temperatur, Betriebslasten usw.), da es sich selbst einstellt.Da die Eigenfrequenzen hier per se zeitvariant sind, machen sichgeringe Abweichungen von dem optimalen Eigenfrequenzverhältnis kaumbemerkbar.
    [0045] Schwingungendes primärenSystems 2 treten erst gar nicht überhöht auf, da seine Eigenfrequenz zeitvariantist.
    [0046] ImFall mit Aktuatoren 9 ist nur wenig, ohne Aktuatoren 9 istkeine zusätzlicheEnergie von außenfür denBetrieb erforderlich.
    [0047] ZurVerbesserung der Bandbreite eingesetzte aktive Systeme benötigen zusätzlich Sensorenund Stellglieder und ggf. Regler, die mit einfachsten Schaltungenund Bauteilen aufgebaut werden können.
    [0048] Mögliche Einsatzgebieteder neuen Vorrichtung sind Brückenmit Torsionsschwingungen, wobei das sekundäre System ein Zusatzgerät ist. Fahrzeugemit Motor/Batterie als Sekundärsystem,Raumfahrzeuge mit Kapsel als Sekundärsystem und Ausleger. Speziellbei Brücken,und zukünftigenRaumfahrtsystemen mit sehr großenAbmessungen bewirkt ein nachträglichangebautes dynamisch abgestimmtes Zusatzbauteil bzw. die in derAuslegung von vornherein dynamisch abgestimmten Strukturkomponentendurch ihre wechselseitige autoparametrische Wirkung die Verteilungder Schwingungsenergie auf ein breiteres Frequenzband. Bereits impassiven Fall werden beispielsweise bei einer Brücke durch den Fail-Safe-Mechanismusgemäß der vorliegendenErfindung die Schwingungen zwar nicht unterdrückt, die Betriebsicherheitdurch Vermeidung großer Schwingungsamplitudenjedoch sichergestellt.
    [0049] In 5 istder Einsatz der neuen Vorrichtung an einer Brücke 11 angedeutet,an der durch Windanregungen gefährlicheTorsionsschwingungen auftreten können.An die Brücke 11 alsschwingungsfähigesprimäresSystem 2 sind an den Stellen maximaler Schwingungsamplitudenseitlich schwingungsfähigeBiegeschwinger als sekundäreSysteme angebracht, die zwei grundsätzliche Effekte erfüllen: Durchdie räumliche Lageveränderungder Einspannung, die durch die Brückenschwingung verursacht wird,erfährtdie Eigenfrequenz des Subsystems eine periodische Variation. Durchdie Schwingung des Subsystems wird das Trägheitsmoment der schwingendenBrückeund damit deren Eigenfrequenz periodisch verändert. Bei der in 5 gezeigtentypischen Anordnung ist ein lageempfindlicher Biegeschwinger 12 stehendseitlich an der Brücke 11 angeordnet.Er könntez.B. auch waagerecht oder herabhängendan der Brückegelagert sein, wobei er jedoch vorzugsweise stehend oder hängend angebrachtist, weil dann sein Einfluss auf die schwingungsrelevanten Parameterder Brücke 11 amgrößten ist.Der Biegeschwinger 12 kann auch mit einer hier nicht dargestellten aktivenEinheit in Schwingungen versetzt bzw. geregelt angesteuert werden.
    [0050] 6 skizziertdie Realisation der neuen Vorrichtung bei einem Flugzeug 13.Einem schwingenden Tragflügel 14 desFlugzeugs 13 kann kinetische Energie durch ein speziellautoparametrisch abgestimmtes Triebwerk/Pylon-System als sekundäres Systementzogen bzw. zugeführtwerden. Der Tragflügelführt eine Biegeschwingungaus. Der Anschluss, d.h. Pylon 15 eines Triebwerks 16 vonzwei Triebwerken 16 und 17 ist in Spannweitenrichtungenfedernd gelagert und in Profilhöhenrichtungdes Tragflügels 14 biegeweich.Das Triebwerk 16 kann somit in Spannweitenrichtung periodischverschoben werden, was zu einer periodischen Veränderung der Biegeeigenfrequenzendes Tragflügels 14 führt. Andererseitsführt dieKopplung überdiesen Biegeschwinger dazu, dass auch die Eigenfrequenz des sekundären Triebwerk/Pylon-Systemsvariiert wird.
    [0051] Sowohlan den großenPaneels von Solarsystemen von Satelliten als auch an großen orbitalenGitterstrukturen lassen sich mit denselben Prinzipien und denselbenAnordnungen wie vorangehend dargestellt Schwingungsbegrenzungendurch autoparametrische Kopplung erzielen.
    1 Vorrichtung 2 primäres System 3 Pendel 4 sekundäres System 5 Stehpendel 6 Drehachse 7 Massekörper 8 Massekörper 9 Aktuator 10 Piezoaktuator 11 Brücke 12 Biegeschwinger 13 Flugzeug 14 Tragflügel 15 Pylon 16 Triebwerk 17 Triebwerk
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergiedurch ein primäresschwingungsfähigesSystem, das eine Eigenfrequenz fprim aufweist,wobei die Vorrichtung ein an das primäre System angekoppeltes sekundäres schwingungsfähiges Systemaufweist, wobei die Ankopplung eine Verschiebung der Eigenfrequenzfprim des primären Systems mit Zustandsänderungendes sekundärenSystems bewirkt und wobei eine Eigenfrequenz fsek dessekundärenSystems zu der Eigenfrequenz fprim des primären Systemsin einem ganzzahligen Verhältnissteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplung des sekundären Systems(4) an das primäreSystem (2) auch eine Verschiebung der Eigenfrequenz fsek des sekundären Systems (4) mit Zustandsänderungendes primärenSystems (2) bewirkt.
    [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das primäreSystem (2) und das sekundäre System (4) elastischeSysteme sind und dass die Kopplung der beiden Systeme so ist, dasssie wechselseitig ihre elastischen Parameter beeinflussen.
    [3] Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Eigenfrequenz fsek des sekundären Systems(2) 2n-mal so groß istwie die Eigenfrequenz fprim des primären Systems,wobei n eine positive ganze Zahl ungleich null ist.
    [4] Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Eigenfrequenz fsek des sekundären Systems(2) doppelt so groß istwie die Eigenfrequenz fprim des primären Systems(4).
    [5] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass die Eigenfrequenz fsek des sekundären Systems über dieKopplungseinflüssedes primärenSystems (4) hinaus verstellbar ist.
    [6] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass mindestens eines der beiden Systeme (2, 4)passiv gedämpftist.
    [7] Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass beide Systeme (2, 4) passiv gedämpft sind.
    [8] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass ein Aktuator (9) zur Anregung des sekundären Systems(4) vorgesehen ist.
    [9] Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass eine Steuerung fürden Aktuator (9) vorgesehen ist, die eine feste Phasenbeziehungzwischen den beiden Systemen (2, 4) einregeln.
    [10] Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Steuerung ein Schwingen der beiden Systeme (2, 4)so einregelt, dass sie eine relative Anfangsphase von null aufweisen.
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    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-01-19| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-12-21| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: GILLHOFF, MEINHARD WOLFGANG, 38442 WOLFSBURG, DE Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM F. LUFT- UND RAUMFAHRT E.V., DE |
    2007-08-02| 8364| No opposition during term of opposition|
    2016-01-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410030701|DE102004030701B4|2004-06-25|2004-06-25|Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch ein schwingungsfähiges System|DE200410030701| DE102004030701B4|2004-06-25|2004-06-25|Vorrichtung zur Begrenzung der Aufnahme von Schwingungsenergie durch ein schwingungsfähiges System|
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