DE10043128C2 - Tilgervorrichtung zur Absorption einer unerwünschten Erregung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tilgervorrichtung zur Absorption einer unerwünschten Erregung, insbesondere einer Erschütterung oder einer Schwingung, mit einer einen Aufbau tragenden Basis, deren Abstand von einer durch die unerwünschte Erregung beweglichen, zwischen Basis und dem Fundament angeordneten Masse mittels eines Wegstellgliedes absorbierbar ist, und mit einer Steuereinheit, mittels der aus einer durch einen Sensor erfassten Messgrö­ ße ein Signal für das Wegstellglied erzeugbar ist, wobei die Masse gegenüber dem Funda­ ment der unerwünschten Erregung beweglich angeordnet ist und diese relative Bewegung durch den Sensor erfassbar und daraus ein für das Wegstellglied bestimmtes Signal erzeug­ bar ist.

Eine solche Vorrichtung wird in der Praxis eingesetzt, um störende Erschütterungen von empfindlichen technischen Geräten fernzuhalten. Störend wirken dabei insbesondere Bo­ denerschütterungen oder Erschütterungen durch Luftschall. Hierdurch verursachte Beein­ trächtigungen sind beispielsweise bei der Mess- und Lasertechnik ebenso anzutreffen, wie bei Festplatten von Datenspeicheranlage (Head-Crash) oder auch der merklichen Ein­ schränkung des Fahrkomforts für einen Insassen eines Kraftfahrzeuges.

Weitere typische Anwendungsgebiete für Tilgervorrichtungen sind die Abschirmung empfind­ licher Sensoren, insbesondere bei Versuchsanordnungen oder inertial stabilisierten Syste­ men im Bereich der Wehr- oder Überwachungstechnik und beim Einsatz bei Gefahrgut- oder Krankentransporten, wie auch allgemein zur Erhöhung des Komforts bei der Personenbeför­ derung.

Vielfach werden technische Systeme bereits mit Hilfe von Federn vor Erschütterungen ge­ schützt. Solche passiven Systeme sind insbesondere aufgrund ihres Übertragungsverhaltens bei niederfrequenten Störungen nicht ausreichend.

Für hochpräzise Systeme werden Tilgervorrichtungen verwendet, bei denen die Erschütte­ rung durch Beschleunigungssensoren erfasst und mittels des Wegstellgliedes kompensiert wird. Dieses Verfahren ist jedoch für hohe Frequenzen meist ungeeignet, da das Wegstell­ glied eine obere Grenzfrequenz hat. Der Arbeitsbereich der Anordnung ist somit durch die Bandbreite des Wegstellgliedes begrenzt. Dabei ergibt sich bei den bekannten Vorrichtungen insbesondere das Problem, dass die unerwünschte Erregung erst an der den Aufbau, also beispielsweise die Karosserie eines Kraftfahrzeuges, tragenden Basis durch den Sensor erfasst wird. Bevor die zur Kompensation geeignete Gegenbewegung durch das Wegstell­ glied eingeleitet werden kann, ist die Erschütterung für den Insassen bereits spürbar, so dass sich mit einer solchen Vorrichtung der Einfluss der Erschütterung zwar einschränken aber nicht verhindern lässt.

Durch die DE 197 25 770 A1 ist auch bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der zur Dämp­ fung über einen vergrößerten Frequenzbereich eine zusätzliche Masse mittels eines Weg­ stellgliedes elastisch an das zu dämpfende System angebunden ist. Mit dem Wegstellglied sollen Kräfte zwischen dem elastischen System und der Masse der Tilgervorrichtung zusätz­ lich zu der Masse an das System hervorgerufen werden, um so dem System Schwingungs­ energie zu entziehen. Nachteilig hierbei erweist sich der vergleichsweise hohe Aufwand, der mit der Erfassung der Erregung und der Ansteuerung der Masse durch das Wegstellglied verbunden ist.

Durch die US 45 31 699 ist es weiterhin bekannt, eine aktive Tilgervorrichtung, bei der stö­ rende Vibrationen von der Basis ferngehalten werden indem das Wegstellglied mit gleicher Auslenkung in entgegengesetzter Richtung zur der Vibration bewegt wird, während ein Fe­ derelement die Basis stabilisiert.

Die JP 22-25 839 offenbart bereits eine Tilgervorrichtung, bei der ein Beschleunigungssen­ sor einen gefilterten Bereich der Erregung erfasst. Das so erfasste Signal wird dann in ein entgegengesetztes Eingangssignal für einen Piezo-Aktuator umgesetzt, so dass sich die Schwingungen gegeneinander aufheben können.

Ferner beschreibt die US 45 66 118 ein Verfahren zur Schwingungstilgung, bei dem eine Erregung in einem bestimmten Bereich dadurch ausgelöscht wird, dass eine zweite zu der ersten Erregung synchronisierte Erregung erzeugt wird. Hierzu dient ein Schwingungssensor mit einem Filter.

Ergänzend wird durch die DE 196 21 700 A1 auch ein aktiver Schwingungsminderer mit einem steuerbaren Magnetlager zum Erreichen einer gewünschten Tilgerwirkung offenbart.

Ungeachtet der Vielzahl der bekannten und in der Praxis gebräuchlichen Tilgervorrichtungen besteht das bisher ungelöste Problem bei der Bekämpfung der unerwünschten Erregung darin, dass ein Beschleunigungssensor oder ein Referenzsystem erforderlich ist, um durch einen Abgleich ein Signal für das Wegstellglied erstellen zu können. Ein solches von der Erregung unbeeinflusstes Referenzsystem ist jedoch lediglich mit hohem Aufwand realisier­ bar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unerwünschte Erregung zu absorbieren, ohne dass hierzu ein aufwendiges Referenzsystem erforderlich ist. Dabei soll zugleich der Wir­ kungsgrad der Vorrichtung gesteigert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst, indem die unerwünschte Erregung an dem Fundament in die Masse einleitbar ist und eine Übertragung der unerwünschten Erregung von der Masse auf die Ba­ sis durch eine der Masse entgegengesetzte Bewegung durch das Wegstellglied ausge­ schlossen ist.

Hierdurch kann auf ein aufwendiges Referenzsystem verzichtet werden, da die Kenntnis der absoluten Position der durch die Erregung beeinflussten Masse entbehrlich ist. Dabei wird zur Erfassung eines Signals durch den Sensor lediglich die relative Bewegung der uner­ wünschten Erregung als Störbewegung und der dadurch bedingten, gegebenenfalls verzö­ gerten Bewegung der Masse bestimmt. Diese relative Bewegung lässt sich dabei mit we­ sentlich höherer Genauigkeit bestimmen, als durch einen konventionellen Beschleunigungs­ sensor. Zugleich lässt sich die derart beschaffene Tilgervorrichtung mit vergleichsweise ein­ fachen technischen Mitteln realisieren. Dabei wirkt die unerwünschte Erregung zunächst le­ diglich auf die Masse, wobei eine im Wesentlichen in der Massenträgheit begründete Rela­ tivbewegung zwischen der eingeleiteten Bewegung und der Masse durch den Sensor erfasst wird. Die Übertragung dieser auf die Masse wirkenden unerwünschten Erregung auf die Ba­ sis wird mittels des Wegstellgliedes verhindert indem rechtzeitig eine Gegenbewegung ein­ geleitet wird. Dadurch, dass die unerwünschte Erregung zunächst mit einer Verzögerung lediglich auf die Masse wirkt, kann das Wegstellglied derart angesteuert werden, dass einer Übertragung der unerwünschten Erregung auf die Basis rechtzeitig entgegengewirkt wird, so dass diese in vollkommener Ruhe gehalten werden kann. Dadurch wird die unerwünschte Erregung nicht lediglich abgeschwächt, sondern bereits vor einer unerwünschten Einfluss­ nahme auf die Basis ausgeglichen, so dass eine Übertragung von der Masse auf die Basis ausgeschlossen ist. Beispielsweise wird hierzu die relative Geschwindigkeit zwischen der Masse und der unerwünschten Erregung erfasst.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird dadurch geschaf­ fen, dass die Masse mittels eines Federelementes durch die unerwünschte Erregung beweg­ lich ist. Hierdurch wird die mit der unerwünschten Erregung verbundene Störbewegung aus­ schließlich durch das Federelement auf die Masse übertragen. Demnach ergibt sich eine der Federkonstante entsprechende Verformung des Federelementes aus der die Relativbewe­ gung zwischen einer der Masse abgewandten Aufnahme der Feder und der Masse abgelei­ tet werden kann.

Hierzu kann bei der Auslenkung des Federelementes die Relativgeschwindigkeit erfasst werden, um so mittels der Steuereinheit das entsprechende Signal für das Wegstellglied zu bestimmen. Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird hingegen dadurch erreicht, dass die Auslenkung des Federelementes erfassbar ist. Hierdurch wird lediglich der durch die unerwünschte Erregung veränderte Abstand zwischen einem Fußpunkt und einem mit der Masse verbundenen Fixpunkt des Federelementes be­ stimmt, um so die durch die unerwünschte Erregung einwirkende Kraft mittels der Steuerein­ heit zu errechnen.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Tilgervorrichtung wird auch da­ durch geschaffen, dass die Masse mittels eines Magnetfeldes gegenüber der unerwünschten Erregung relativ beweglich angeordnet ist. Hierdurch kann die Lage der Masse über eine Regelung vorgegeben werden, so dass eine berührungslose Positionierung erreicht wird. Die Präzision der Steuerung lässt sich dadurch weiter erhöhen, da die hierzu erforderlichen Sys­ temparameter mit einer hohen Genauigkeit reproduzierbar sind. Die unerwünschte Erregung wird dabei als eine Veränderung der Kenngrößen des Magnetfeldes bzw. als Veränderung der Position der Masse erfasst.

Hierzu ist ebenfalls besonders günstig, wenn das Wegstellglied ein steuerbares Magnetlager aufweist. Durch eine geeignete Ansteuerung des derart ausgeführten Wegstellgliedes lässt sich eine schnelle und präzise Bewegung erreichen, durch die die Basis frei von der uner­ wünschten Erregung gehalten werden kann. Die an sich bekannten Parameter des Magnet­ lagers können mit Hilfe der Steuerung exakt verarbeitet werden, so dass sich eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades erreichen lässt.

Eine andere, ebenfalls sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch er­ reicht, dass die Masse drehbeweglich angeordnet ist und eine relative Drehbewegung zwi­ schen der Masse und der unerwünschten Erregung durch den Sensor erfassbar ist. Hier­ durch wird eine Tilgervorrichtung für eine Drehschwingung oder -erregung geschaffen, durch die in einfacher Weise beispielsweise die bei Motoren auftretenden Schwingungen ausgegli­ chen werden können. Hierzu kann eine Drehfeder zum Einsatz kommen, mittels der die Masse gegenüber der unerwünschten Erregung beweglich in einer vorbestimmten Ruheposi­ tion gehalten werden kann.

Dabei wird eine besonders effektive Abwandlung der vorliegenden Erfindung erreicht, indem der relative Drehwinkel zwischen der Masse und der unerwünschten Erregung durch den Sensor erfassbar ist. Hierdurch kann die relative Bewegung zwischen der Masse und der unerwünschten Erregung mit einer durch einen konventionellen Beschleunigungssensor nicht erreichbaren Genauigkeit erfasst werden. Dabei ist ein Bezugssystem nicht erforder­ lich. Denkbar ist es hier zugleich, auch anstelle eines Federelementes ein Magnetfeld vorzu­ sehen, wodurch insbesondere unerwünschte Reibungseinflüsse vermieden werden können.

Dabei wird eine weitere, besonders zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung dadurch erreicht, dass die Tilgervorrichtung mehrere auf eine gemeinsame Basis wir­ kende Wegstellglieder mit einem jeweils zugeordneten Sensor aufweist. Hierdurch können verschiedene, an unterschiedlichen Teilbereichen der Basis eingeleitete unerwünschte Erre­ gungen erfasst und durch die einzelnen Wegstellglieder ein zuverlässiger Ausgleich der La­ ge bzw. eine Lagestabilisierung erreicht werden.

Die hohe Empfindlichkeit des Geschwindigkeitssensors eröffnet auch weitere Anwendungs­ felder. Da durch die Tilgervorrichtung die Bewegung der unteren Masse rekonstruierbar ist, gelingt mit Hilfe einer erweiterten Steuerung auch die Bestimmung der Erregungsform. Dies erlaubt eine Bestimmung der relativen Fundamentbewegung. Durch Differenzieren des Sig­ nals des Geschwindigkeitssensors ist auch die Beschleunigung der unerwünschten Erregung bestimmbar. Ein so realisierter Beschleunigungssensor weist eine höhere Empfindlichkeit bei zugleich verringertem Herstellungsaufwand auf, als die nach dem Stand der Technik be­ kannten Sensoren.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Tilgervorrichtung in einer Vorderansicht;

Fig. 2 ein Schaltbild der Tilgervorrichtung;

Fig. 3 eine weitere Tilgervorrichtung mit einem Magnetlager in einer Prinzipskizze.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer Tilgervorrichtung 1 mit einer Basis 2, die für einen nicht dargestellten und gegenüber einer unerwünschten Erregung, beispielsweise einer Er­ schütterung oder einer Schwingung, zu schützenden Aufbau bestimmt ist. Die unerwünschte Erregung wirkt über ein Fundament 3 auf eine Aufnahme 4 (Fuß) der Tilgervorrichtung 1, welche dadurch um eine nicht bekannte Strecke vertikal bewegt wird. Mittels eines Feder­ elementes 5 wird dabei die durch die unerwünschte Erregung verursachte Krafteinwirkung auf eine Masse 6 übertragen, deren Säule 7 in der Aufnahme 4 im Wesentlichen ungehindert sowohl nach oben als auch nach unten beweglich ist. Dabei führt die Krafteinwirkung zu ei­ ner Auslenkung des Federelementes 5, welche mittels eines Sensors 8 als Relativbewegung zwischen der Säule 7 und der Aufnahme 4 erfassbar ist. Die so gewonnene Messgröße wird anschließend mittels einer Steuereinheit 9 in ein Signal für ein mit der Masse 6 verbundenes Wegstellglied 10 umgesetzt, welches eine vertikale Längenveränderung gestattet. Diese Längenveränderung entspricht ihrem Betrag nach der unerwünschten Erregung, wobei deren Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. Daher wirkt die unerwünschte Erregung zwar auf die Masse 6, wird aber derart durch das Wegstellglied 10 ausgeglichen, dass eine Rückwir­ kung auf die Basis 2 ausgeschlossen ist. Das Wegstellglied 10 ist hierzu mit einem als Fe­ derelement ausgeführten Verbindungsmittel 11 ausgestattet, um so einer möglichen Rück­ wirkung der Basis 2 auf die Masse 6 entgegen zu wirken.

Das Federelement 5 gestattet eine von der unerwünschten Erregung abweichende Bewe­ gung der Masse 6. Die hierbei auftretende Auslenkung des Federelementes 5 wird dabei durch den Sensor 8 erfasst und mittels der Steuereinheit 9 in ein Signal für das Wegstellglied 10 umgesetzt, wobei ein Referenzsystem, insbesondere zur Bestimmung der relativen erre­ gungsbedingten Position, nicht erforderlich ist. Aufgrund der gegenüber der unerwünschten Erregung verzögerten Relativbewegung der Masse 6 kann die Ausgleichsbewegung durch das Wegstellglied 10 eingeleitet werden, bevor die unerwünschte Erregung an der Basis 2 spürbar wird.

Die genaue Funktionsweise wird anhand der Fig. 2 näher erläutert, die ein Schaltbild der Tilgervorrichtung 1 zeigt. Zu erkennen ist zunächst die als vertikale Störung 12 dargestellte unerwünschte Erregung. Diese wirkt über ein dem in Fig. 1 dargestellten Federelement 5 bzw. dem in der Aufnahme 4 beweglichen Säule 7 entsprechendes, schematisch dargestell­ tes Feder-Dämpfer-System 13 auf die Masse 6. Der dabei erfasste, gegenüber der Ruhelage veränderte Abstand wird anhand der idealisierten Bewegungsgleichung des Feder-Dämpfer- Systems 13 als Eingangsgröße für das hierbei lediglich durch seine Funktionsgleichung dar­ gestellte Wegstellglied 10 errechnet. Durch das Wegstellglied 10 wird so ein zeitabhängiger und dem Betrag der Störung 12 entsprechender Korrekturabstand 14 zwischen der Basis 2 und der Masse 6 eingestellt, um so eine Einwirkung der Störung 12 auf die Basis 2 zu ver­ meiden.

Die Generierung des Signals für das Wegstellglied 10 ist sowohl zeitdiskret als auch kontinu­ ierlich denkbar. Dabei ist eine vollständige, über das gesamte Frequenzband exakte Nach­ bildung des unbelasteten Feder-Masse-Systems nicht zwingend erforderlich wenn die prakti­ schen Erfordernisse eine derart hohe Genauigkeit nicht bedingen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Tilgervorrichtung 15, bei welcher eine Masse 16 in hängender An­ ordnung in einer vorbestimmten Ruhelage durch ein Magnetlager 17 gehalten wird. Eine unerwünschte Erregung wird dabei als eine Änderung der Kenngrößen des magnetischen Feldes erfasst, wodurch die Relativbewegung zwischen der Masse 16 und einer Aufnahme 18 bestimmt werden kann. Daraus wird anschließend eine Steuergröße für ein ebenfalls als ein Magnetlager ausgeführtes Wegstellglied 19 errechnet, um so eine Gegenbewegung ein­ leiten zu können. Eine Basis 20 der Tilgervorrichtung 15 ist daher von der unerwünschten Erregung unbeeinflusst und entkoppelt.

Claims (8)

1. Tilgervorrichtung (1, 15) zur Absorption einer unerwünschten Erregung, insbesondere ei­ ner Erschütterung oder einer Schwingung, mit einer einen Aufbau tragenden Basis (2, 20), deren Abstand von einer durch die unerwünschte Erregung beweglichen, zwischen Basis (2, 20) und dem Fundament (3) angeordneten Masse (6, 16) mittels eines Wegstellgliedes (10, 19) absorbierbar ist, und mit einer Steuereinheit (9), mittels der aus einer durch einen Sensor (8) erfassten Messgröße ein Signal für das Wegstellglied (10, 19) erzeugbar ist, wobei die Masse (6, 16) gegenüber dem Fundament (3) der unerwünschten Erregung beweglich ange­ ordnet ist und diese relative Bewegung durch den Sensor (8) erfassbar und daraus ein für das Wegstellglied bestimmtes Signal erzeugbar ist, und dass die unerwünschte Erregung an dem Fundament (3) in die Masse (6, 16) einleitbar ist und eine Übertragung der unerwünsch­ ten Erregung von der Masse (6, 16) auf die Basis (2, 20) durch eine der Masse (6, 16) ent­ gegengesetzte Bewegung durch das Wegstellglied (10, 19) ausgeschlossen ist.

2. Tilgervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (6) mit­ tels eines Federelementes (5) durch die unerwünschte Erregung beweglich ist.

3. Tilgervorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des Federelementes (5) erfassbar ist.

4. Tilgervorrichtung (15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (16) mittels eines Magnetfeldes gegenüber der uner­ wünschten Erregung relativ beweglich angeordnet ist.

5. Tilgervorrichtung (15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegstellglied (19) ein steuerbares Magnetlager aufweist.

6. Tilgervorrichtung (15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse drehbeweglich angeordnet ist und eine relative Drehbewe­ gung zwischen der Masse und der unerwünschten Erregung durch den Sensor erfassbar ist.

7. Tilgervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Drehwinkel zwischen der Masse und der unerwünschten Erregung durch den Sensor erfassbar ist.

8. Tilgervorrichtung (1, 15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgervorrichtung (1, 15) mehrere auf eine gemeinsame Basis (2, 20) wirkende Wegstellglieder (10, 19) mit einem jeweils zugeordneten Sensor (8) aufweist.