DE102006054274B3

DE102006054274B3 - 3-axis spring damping system

Info

Publication number: DE102006054274B3
Application number: DE102006054274A
Authority: DE
Inventors: Ingo Dr. Retat; Kiyoumars Abdoly; Horst Köhler; Wolfgang Tritsch
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-11-18

Abstract

The three-axis spring-damping system has spring damping elements (2), which are arranged between a retaining structure (3) and a load pallet (1) for depressant arrangement in x and y directions. The load pallet is connected with the spring damping elements in the end regions by a retainer, which are assigned to bearing blocks separated in x and y-directions. Bearing blocks receive twistable torsion rods, orthogonally attached to each side, which are connected with attached spring damping elements in z-direction by lever elements.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein 3-Achsen Feder-Dämpfungssystem für Plattformen in Raumfahrzeugen zur Aufnahme von Nutzlasten über Lastpaletten, wobei Feder-Dämpfungselemente zwischen einer Haltestruktur und der Lastpalette zur dämpfenden Anordnung in X- und Y-Richtungen angeordnet sind, die in 3-Raum-Achsen der Feder-Dämpfungselemente wirken.The The invention relates to a 3-axis spring damping system for platforms in spacecraft for receiving payloads on load pallets, wherein spring-damping elements between a Holding structure and load pallet for damping arrangement in X and Y-directions arranged are acting in 3-space axes of the spring-damping elements.

Dämpfungssysteme werden in vielfältigen Formen eingesetzt, um die dynamische Belastung von Komponenten oder Einheiten zu reduzieren. Bevorzugt arbeiten Dämpfer als Tiefpaß, das heißt die Eigenfrequenz des Systems wird idealerweise so niedrig gewählt, daß möglichst große Teile des Anregungsspektrums mit höheren Frequenzen vom Dämpfer = Tiefpaß nicht durchgelassen werden. Es sind auch Dämpfungs-Systeme bekannt, bei denen eine Einheit aus Feder, Dämpfer und Masse als Schwingungs-Tilger wirken. Durch Abstimmung der Resonanzfrequenz wird einem Gesamtsystem Schwingungsenergie entzogen und dadurch die Schwingungs-Amplitude für die zu dämpfenden Komponenten reduziert. In beiden Fällen tritt ein zusätzliches Phänomen auf, wenn die Bewegungslinien der Feder/Dämpfer nicht durch den Schwerpunkt der zu dämpfenden Komponente gehen. In diesem Fall entsteht ein Drehmoment, daß neben der zu erwartenden Eigenfrequenz bei linearer Bewegung noch ein Rotations-Modus mit niedriger Eigenfrequenz bewirkt. Für einige Anwendungen ist dies nicht störend, in anderen Fällen sind aber die wankbewegungen des Systems und/oder die damit verbundene niedrige Eigenfrequenz unerwünscht.damping systems be in many forms used to control the dynamic loading of components or units to reduce. Preferably dampers work as low pass, that is the natural frequency of the system is ideally chosen so low that the largest possible parts of the excitation spectrum with higher Frequencies from the damper = Not low pass be let through. There are also known damping systems, in which a unit of spring, damper and mass act as vibration absorber. By tuning the resonance frequency is deprived of a total system vibrational energy and thereby the oscillation amplitude for the components to be damped reduced. In both cases occurs an additional one phenomenon when the lines of movement of the spring / damper are not due to the center of gravity the one to be damped Go component. In this case, a torque arises that beside the expected natural frequency in linear motion yet Rotation mode effected with low natural frequency. For some applications this is not disturbing, in other cases but are the movements of the system and / or the associated low natural frequency undesirable.

Bei Dämpfungssystemen für Plattformen in Raumfahrzeugen, wie sie in der Ladebucht des Space Shuttle genutzt werden, besteht das Problem zwei widersprüchliche Anforderungen zu berücksichtigen. Zum einen sollte die Eigenfrequenz des Dämpfers so niedrig wie möglich sein, um große Teile des Anregungsspektrums – mit einem Maximum bei ca. 15 Hz – unterdrücken zu können und zum anderen darf aber in der Ladebucht des Space Shuttle eine minimale Eigenfrequenz von 6,3 Hz nicht unterschritten werden, um Eigenmoden der Nutzlast von den Eigenschwingungen des Space Shuttles zu entkoppeln. Der Spielraum für die korrekte Auswahl der Eigenfrequenz ist damit klein, wobei ein Dämpfer mit zwei unterschiedlichen Eigenfrequenzen nicht tolerierbar ist und auch die damit verbundenen Kippbewegungen ausgeschlossen werden müssen. Ein System, bei dem die Wirkungslinien der Dämpfer durch den Schwerpunkt der Nutzlast gehen, ist zwar theoretisch denkbar, aber in der Praxis schwer zu realisieren bzw. nicht praktikabel im Betrieb durchführbar.at damping systems for platforms in spacecraft, as used in the cargo bay of the Space Shuttle the problem is to consider two contradictory requirements. First, the natural frequency of the damper should be as low as possible, around big ones Parts of the excitation spectrum - with a maximum at about 15 Hz - suppress can On the other hand, however, in the cargo bay of the Space Shuttle a minimum Natural frequency of 6.3 Hz are not undershot to eigenmodes to decouple the payload from the natural vibrations of the space shuttle. The scope for the correct selection of the natural frequency is therefore small, with a damper is not tolerable with two different natural frequencies and the associated tilting movements are excluded have to. A system where the lines of action of the dampers by the center of gravity payload is theoretically possible, but in practice difficult to implement or not practicable in operation feasible.

Nach der JP 2000 289699 A ist bereits eine Ausbildung eines 3-Achsen-Dämpfungssystems für Plattformen in Raumfahrzeugen zur Aufnahme von Nutzlasten über Lastpaletten bekannt, wobei Dämpfungselemente zwischen einer Haltestruktur und der Lastpalette zur dämpfenden Anordnung in X- und Y-Richtungen angeordnet sind. Die Lagerböcke nehmen dabei orthogonal angeordnete und verdrehbare Torsionsstäbe auf, die an ihren Endbereichen Hebel aufweisen und über Stößel mit der Lastpalette verbunden sind. Hierbei sind keine an den Torsionsstäben angeordneten Hebelelemente mit zugeordneten Feder-Dämpfungselementen in Z-Richtung vorgesehen, die eine integrierte Dämpfung in Z-Richtung ermöglichen.After JP 2000 289699 A It is already known an education of a 3-axis damping system for platforms in spacecraft for receiving payloads on load pallets, wherein damping elements between a support structure and the load pallet for damping arrangement in the X and Y directions are arranged. The bearing blocks take orthogonally arranged and rotatable torsion bars, which have levers at their end regions and are connected via plungers to the load pallet. Here, no arranged on the torsion bars lever elements are provided with associated spring-damping elements in the Z direction, which allow an integrated damping in the Z direction.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung einer integrierten Dämpfung in Z-Richtung mit einer platzsparenden Ausbildung des Dämpfungssystems zu schaffen, die eine gedämpfte lineare Bewegung in drei Raumachsen zuläßt und dabei die Rotationsfreiheitsgrade der beiden Achsen, deren Dämpferbewegungslinie nicht durch den Schwerpunkt geht, im wesentlichen unterdrückt bzw. gezielt reduziert und Feder-Dämpfungselemente eine Senkung der Belastung gewährleisten.task The invention is an arrangement of an integrated damping in Z-direction with a space-saving design of the damping system to create a muted allows linear movement in three spatial axes and thereby the rotational degrees of freedom the two axes, their damper movement line does not go through the center of gravity, essentially suppressed or deliberately reduced and spring-damping elements to ensure a reduction in the burden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem 3-Achsen Federdämpfungssystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution This task is done with a 3-axis spring damping system according to the features of claim 1.

Hierdurch ist es möglich, eine Unterdrückung der Wankbewegung in zwei Achsen und eine unabhängige Anpassung von Federung und Dämpfung in allen drei Achsen durchzuführen.hereby Is it possible, a suppression of Rolling movement in two axes and independent adaptation of suspension and damping in all three axes.

Ferner ist vorgesehen, daß in X- und Y-Richtung der Raumachsen jeweils an beiden Außenseiten der Lastpalette Torsionsstäbe parallel angeordnet sind.Further is provided that in X- and Y-direction of the spatial axes on both outer sides the load pallet torsion bars are arranged in parallel.

Um sich den vorliegenden Verhältnissen anzupassen, wird vorgeschlagen, daß eine Dämpfung der Torsionsstab-Lagerung über eine einstellbare Verspannung vorgebbar ist.Around the existing conditions It is proposed that a damping of the torsion bar storage over a adjustable clamping can be specified.

Als Alternativanordnung wird vorgeschlagen, daß die Verbindungselemente zwischen Torsionsstab und Aufnahme der Lastpalette über elastische deformierbare Elemente gebildet sind.When Alternative arrangement is proposed that the connecting elements between Torsion bar and pickup of load pallet over elastic deformable Elements are formed.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:In the drawing is an embodiment of Invention shown schematically. Show it:

1 eine vollständige Anordnung einer Dämpfungsplattform mit Adaptern für die aufgesetzte Lastpalette; 1 a complete arrangement of a damping platform with adapters for the patch load pallet;

2 eine Anordnung wie 1 ohne aufgesetzte Lastpalette; 2 an arrangement like 1 without attached load pallet;

3 einen Aufschnitt III gemäß 2 in vergrößerter Darstellung und 3 a cold cuts III according to 2 in an enlarged view and

4 und 5 Darstellungen der Lagerböcke mit zugeordnetem Torsionsstab in zwei Ansichten. 4 and 5 Representations of the bearing blocks with associated torsion bar in two views.

Die dargestellte Anordnung zeigt eine Ausbildung eines Dämpfungssystems für eine Lastpalette 1 in einem Space Shuttle, wobei auf der Lastpalette 1 Nutzlasten befestigt werden. Die Lastpalette 1 ist über Feder-Dämpfungs-Elemente 2 und eine Haltestruktur 3 mit der Tragstruktur verbunden.The illustrated arrangement shows an embodiment of a damping system for a load pallet 1 in a space shuttle, taking on the load pallet 1 Payloads are attached. The load pallet 1 is about spring-damping elements 2 and a holding structure 3 connected to the support structure.

Die Feder-Dämpfungs-Elemente 2 wirken in allen drei Raumachsen X, Y, Z und sind in diesem Fall als Drahtseil-Dämpfer ausgeführt. Diese bekannte dämpfende Aufhängung alleine erlaubt Wankbewegungen um die X- und Y-Achse bzw. eine Drehung um die Z-Achse und ist nicht brauchbar. Nach dieser Ausbildung wird eine Unterdrückung der Wankbewegung in zwei Achsen und zur unabhängigen Anpassung von Federung als auch Dämpfung in allen drei Achsen gebildet.The spring-damping elements 2 act in all three spatial axes X, Y, Z and are executed in this case as a wire rope damper. This known damping suspension alone allows rolling movements about the X and Y-axis or a rotation about the Z-axis and is not useful. According to this design, a suppression of the rolling motion in two axes and for independent adjustment of suspension and damping in all three axes is formed.

Für die Unterdrückung der Wankbewegungen und die Vermeidung einer zweiten, niedrigen Eigenfrequenz sind parallele Torsionsstäbe 4 in der X- und Y-Achse angeordnet, die an den Endbereichen jeweils über Hebel 5 und Stößel 6 mit Aufnahmen 9 mit der Lastpalette 1 in den Eckbereichen verbunden sind. Die Verbindung zwischen den Stößeln 6 und den Hebeln 5 bzw. der Aufnahmen 9 für die Lastpalette erfolgt über sphärische Lager 7. Die Torsionsstäbe 4 sind hierbei jeweils in zwei Lagerböcken 8 drehbar gelagert. Die Lagerböcke 8 sind mit dem Auflagebereich starr verbunden. Die Elemente 4–8 sind damit für die Unterdrückung der Wankbewegung in zwei Achsen als X- und Y-Achse verantwortlich.For the suppression of rolling movements and the avoidance of a second, low natural frequency are parallel torsion bars 4 arranged in the X and Y axis, which at the end regions in each case via levers 5 and pestles 6 with recordings 9 with the load pallet 1 connected in the corner areas. The connection between the pestles 6 and the levers 5 or the recordings 9 for the load pallet via spherical bearings 7 , The torsion bars 4 are each in two storage blocks 8th rotatably mounted. The bearing blocks 8th are rigidly connected to the support area. The Elements 4 - 8th are thus responsible for the suppression of rolling motion in two axes as the X and Y axis.

Lineare Bewegungen werden somit durch die Komponenten 4 –8 theoretisch nicht beeinflußt. Bei einer Bewegung in Z-Richtung werden die Stößel 6 nach oben gezogen und alle vier Torsionsstäbe 4 werden in ihren Lagern der Lagerböcke 8 gedreht, ohne dabei tordiert zu werden. Eine Bewegung der Lastpalette 1 wird nicht behindert; bei einer Bewegung der Lastpalette 1 in X-Achse werden die oberen Ende der Stößel 6 ebenfalls in X-Richtung verschoben, dabei ermöglichen die sphärischen Lager 7 das Drehen aller Stößel 6 um die Y-Achse und eine geringe Drehung aller Torsionsstäbe 4; damit ist diese lineare Bewegung praktisch kräftefrei. Die Verschiebung der Lastpalette in Y-Richtung verläuft aufgrund der Symmetrie analog; auch hier werden die Torsionsstäbe 4 nicht tordiert und die lineare Bewegung der Lastpalette 1 wird nicht behindert. Wirkt aber ein Drehmoment auf die Lastpalette 1, beispielsweise durch eine Kraft in X-Richtung, die im Schwerpunkt angreift, so wird ein Stößelpaar nach unten und das gegenüberliegende Stößelpaar nach oben gedrückt und versucht damit die zwei parallel zur X-Achse liegenden Torsionsstäbe 4 zu tordieren. Das wird durch das große Trägheitsmoment der Torsionsstäbe 4 verhindert, das heißt die Ladeplattform 1 dreht sich praktisch nicht, es findet keine Wankbewegung der Nutzlast statt. Die Verhältnisse liegen analog bei einer Drehung um die Y-Achse vor.Linear movements are thus through the components 4 - 8th theoretically not affected. Moving in the Z direction will cause the plungers 6 pulled up and all four torsion bars 4 become in their camps the bearing blocks 8th shot, without being twisted. A movement of the load pallet 1 is not handicapped; during a movement of the load pallet 1 in X-axis are the upper end of the plunger 6 also shifted in the X-direction, thereby enabling the spherical bearings 7 the turning of all rams 6 around the Y axis and a slight twist of all torsion bars 4 ; Thus, this linear movement is virtually free of forces. The shift of the load pallet in the Y direction is analogous due to the symmetry; Again, the torsion bars 4 not twisted and the linear movement of the load pallet 1 will not be hindered. But affects a torque on the load pallet 1 For example, by a force in the X direction, which acts in the center of gravity, so a pair of plugs down and the opposite pair of plunger is pushed upwards, trying so that the two parallel to the X-axis torsion bars 4 to twist. This is due to the large moment of inertia of the torsion bars 4 prevents, that is the loading platform 1 practically does not turn, there is no rolling movement of the payload. The conditions are analogous to a rotation about the Y-axis.

In dieser Ausführung verhindern jeweils zwei Torsionsstäbe 4 die Drehung um eine Raumachse; dadurch werden Kräfte aus der Nutzlast über die Aufnahmen 9 direkt in die Ecken der Lastpalette 1 und damit in die Stößel 6 eingeleitet. Für das Prinzip ist aber nur jeweils ein Torsionsstab 4 pro Raum-Achse notwendig. In diesem Fall werden allerdings Kräfte von der Nutzlast nicht direkt, sondern im Umweg über die Lastpalette 1 eingeleitet und die Lastpalette muß auf größere Lasten ausgelegt werden.In this embodiment, each prevent two torsion bars 4 the rotation about a space axis; This will force from the payload on the recordings 9 directly into the corners of the load pallet 1 and with it in the pestles 6 initiated. For the principle but only one torsion bar 4 necessary per room axis. In this case, however, forces from the payload are not directly, but in the detour via the load pallet 1 initiated and the load pallet must be designed for larger loads.

Für eine effektive Anpassung des Dämpfungs-Systems an ein richtungsabhängiges Anregungsspektrum ist eine richtungsabhängige Einstellung der Feder- und Dämpfereigenschaften vorgesehen. Dieses wird in diesem Fall über die Einbaulage der Feder- und Dämpferelemente 2 sowie über Zusatzelemente an den Torsionsstäben 4 gelöst. Feder-Dämpfereinheiten 10 sind hierbei über Hebel 11 mit den Torsionsstäben 4 verbunden. Diese Elemente 10 wirken im wesentlichen bei Bewegungen in Z-Richtung. Eine Bewegung der Lastpalette 1 in der Z-Achse bewirkt eine Drehung der Torsionsstäbe 4 und damit eine Bewegung der dreieckförmigen Hebel 11, die durch die Feder-Dämpfereinheiten 10 behindert wird. Die hierbei entstehenden Kräfte addieren sich zu den durch die Elemente 2 wirkenden Kräften. Federung und Dämpfung sind in der Z-Achse größer als in der X- oder Y-Achse. Eine lineare Bewegung in der X- oder Y-Achse führt nur zu einer geringen Drehung der Torsionsstäbe 4 und damit auch nur zu einer geringen Erhöhung der Feder- bzw. Dämpfer-Wirkung.For an effective adaptation of the damping system to a direction-dependent excitation spectrum, a direction-dependent adjustment of the spring and damper properties is provided. This is in this case on the mounting position of the spring and damper elements 2 as well as additional elements on the torsion bars 4 solved. Spring-damper units 10 here are about levers 11 with the torsion bars 4 connected. These elements 10 Act essentially when moving in the Z direction. A movement of the load pallet 1 in the Z-axis causes a rotation of the torsion bars 4 and thus a movement of the triangular lever 11 passing through the spring damper units 10 is hampered. The resulting forces add up to those through the elements 2 acting forces. Suspension and damping are greater in the Z-axis than in the X or Y-axis. A linear movement in the X or Y axis leads only to a small rotation of the torsion bars 4 and thus only a small increase in the spring or damper effect.

Die unabhängige Einstellung der Feder- und Dämpfer-Wirkung in X- bzw. Y-Achse wird durch die Einbaulage der Feder-Dämpfer-Elemente 2 erreicht. Wird beispielsweise ein konventionelles Feder-Dämpfer-Bein parallel zur X-Achse über sphärische Lager mit dem Auflager und der Lastpalette verbunden, so führt eine Bewegung in X-Richtung zu einer gleichen Auslenkung des Dämpferbeines. Eine Bewegung in Y- oder Z-Richtung bewirkt aber nur – abhängig von der Länge des Dämpfers – eine wesentlich geringe Auslenkung. In dieser Anwendung wird die Richtungsabhängigkeit der Feder- und Dämpfer-Wirkung von Drahtseil-Dämpfern genutzt, die bei Kompression höhere Kräfte als bei einer Scherung erzeugen.The independent setting of the spring and damper effect in the X- or Y-axis is due to the mounting position of the spring-damper elements 2 reached. For example, if a conventional spring-damper leg parallel to the X-axis via spherical bearings connected to the support and the load pallet, so leads to a movement in the X direction to a same deflection of the damper strut. However, a movement in the Y or Z direction causes only - depending on the length of the damper - a significantly low deflection. In this application, the directionality of the spring and damper effect of wire rope dampers is used, which produce higher forces during compression than in a shear.

In dieser Ausbildung ermöglichten die Torsionsstäbe 4 und die damit verbundene Reduktion der Rotations-Freiheitsgrade die Nutzung. Durch die spezielle Ausbildung werden die Torsionsstäbe 4 und die Feder-Dämpfungselemente 2 in die Freiräume einer bestehenden Anordnung eingebaut, so daß das System für den Benutzer nicht sichtbar ist und keinen zusätzlichen Raum beansprucht. Für Langzeitanwendungen im Weltraum sind komplett aus Metall gefertigte Feder-Dämpfungselemente 2 als Drahtseildämpfer besonders geeignet, da sie unter Bestrahlung bzw. Beschuß mit atomarem Sauerstoff nicht degradieren. Für terrestrische Anwendungen oder kurze Weltraum-Mission sind auch andere Dämpfungs- und Feder-Elemente einsetzbar.In this training, the Torsi enabled onsstäbe 4 and the associated reduction in rotational degrees of freedom use. Due to the special training, the torsion bars 4 and the spring-damping elements 2 installed in the free spaces of an existing arrangement, so that the system is not visible to the user and does not require additional space. For long-term applications in space are completely made of metal spring-damping elements 2 As Drahtseildämpfer particularly suitable because they do not degrade under irradiation or bombardment with atomic oxygen. For terrestrial applications or short space mission other damping and spring elements can be used.

Zusammenfassend wird hierdurch ermöglicht, daß über die Torsionsstäbe 4 des weiteren eine zusätzliche Dämpfung oder Federwirkung in Z-Richtung eingestellt werden kann. Jede lineare Bewegung der Plattform bewirkt eine Drehung zweier oder aller Torsionsstäbe 4. Bei einer Verschiebung in Z-Richtung werden alle, bei einer Verschiebung in X-Richtung oder Y-Richtung werden jeweils zwei gegenüberliegende Torsionsstäbe 4 gedreht. Über weitere Feder- oder Dämpfungselemente, welche die Drehung beeinflussen, kann das System beeinflußt werden. Hier können Federn eingesetzt werden, welche die Steifigkeit erhöhen oder zusätzliche Dämpfer, um die Schwingungen das System zu bedämpfen. Natürlich können diese Elemente auch die primären Feder/Dämpfer-Elemente ersetzen. Für einige Anwendungen ist eine zusätzliche, einstellbare Dämpfung möglich. Diese ist durch Reibungselemente möglich, welche die Drehung der Torsionsstäbe 4 behindern. Als einfache Ausbildung wird eine Lagerung der Torsionsstäbe 4 angesehen, die mit Reibung behaftet ist und deren Reibung sich, beispielsweise durch eine geeignete Vorspannung der Lager, einstellen läßt.In summary, this makes it possible that on the torsion bars 4 Furthermore, an additional damping or spring action in the Z direction can be adjusted. Each linear movement of the platform causes a rotation of two or all of the torsion bars 4 , With a displacement in the Z direction, all, with a displacement in the X direction or Y direction, in each case become two opposing torsion bars 4 turned. Additional spring or damping elements which influence the rotation can influence the system. Here springs can be used, which increase the stiffness or additional dampers to dampen the vibrations of the system. Of course, these elements can also replace the primary spring / damper elements. For some applications, additional adjustable damping is possible. This is possible by means of friction elements which control the rotation of the torsion bars 4 hinder. As a simple training is a storage of the torsion bars 4 viewed, which is fraught with friction and whose friction can be adjusted, for example by a suitable bias of the bearings.

Claims

A 3-axis spring damping system for spacecraft platforms for receiving payloads over cargo pallets, wherein spring dampening members are disposed between a support structure and the load pallet for damping arrangement in X- and Y-directions arranged in 3-space axes of the spring Damping elements act, characterized in that the load pallet ( 1 ) additionally with the spring-damping elements ( 2 ) in the end regions via recordings ( 9 ), to each of which separate bearing blocks ( 8th ) are assigned in the X and Y direction, wherein the bearing blocks ( 8th ) each side orthogonally associated with rotatable torsion bars ( 4 ) via lever elements ( 11 ) with associated spring-damping elements ( 10 ) are connected in the Z direction and the torsion bars ( 4 ) at their end levers ( 5 ) for connecting plunger ( 6 ) to connect to the recordings ( 9 ) in the corner areas of the load pallet ( 1 ) with the interposition of at least one spherical bearing ( 7 ) in a hinge region.

3-axis spring damping system according to claim 1, characterized in that in the X and Y direction of the spatial axes in each case on both outer sides of the load pallet ( 1 ) Torsion bars ( 4 ) are arranged in parallel.

3-axis spring damping system according to one of the claims 1 or 2 , characterized in that an attenuation of the torsion bar storage can be predetermined via an adjustable bracing.

3-axis spring damping system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting elements ( 5 - 7 ) between torsion bar ( 4 ) and recording ( 9 ) of the load pallet ( 1 ) are formed over elastic deformable elements.