DE10321436A1

DE10321436A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Kräften

Info

Publication number: DE10321436A1
Application number: DE2003121436
Authority: DE
Inventors: Christ May; Pietro Pagliarulo; Hartmut Prof. Dr.-Ing. habil. Janocha; Klaus Dr.-Ing. Kuhnen
Original assignee: Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: DE10321436B4; DE10321436B8

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von inertialen Kräften auf eine Einrichtung, wobei Kräfte erzeugbar sind durch das Erzeugen von Schwingungen durch eine Anregung von schwingungsfähigen Teilen der Vorrichtung, wobei wenigstens eine schwingungsfähige Masse mittels wenigstens eines Bauteils aus einem aktivierbaren Festkörpermaterial in Schwingungen versetzbar ist durch eine Anregung des Bauteils aus dem aktivierbaren Festkörpermaterial, wobei die wenigstens eine schwingungsfähige Masse weiterhin mittels wenigstens zweier federelastischer Elemente an einem Tragelement befestigt ist, wobei das Tragelement an der Einrichtung befestigbar ist, auf die Kräfte übertragen werden sollen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von inertialen Kräften nach dein Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 39 39 822 C2 ist eine Lösung bekannt, bei der bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von inertialen Kräften auf eine Einrichtung, die bei der DE 39 39 822 C2 ein Kraftfahrzeug ist, Kräfte erzeugbar sind durch das Erzeugen von Schwingungen durch eine Anregung von schwingungsfähigen Teilen der Vorrichtung. Diese schwingungsfähige Teile werden bei der DE 39 39 822 C2 beispielsweise durch die Fahrzeugbatterie gebildet. Diese schwingungsfähige Masse ist mittels eines Bauteils aus einem aktivierbaren Festkörpermaterial (beispielsweise magnetostriktiv oder auf dem piezoelektrischen Effekt beruhend) in Schwingungen versetzbar durch eine Anregung des wenigstens einen Bauteils aus dem aktivierbaren Festkörpermaterial. Die schwingungsfähige Masse ist mittels mehrerer federelastischer Elemente an wenigstens einem Tragelement befestigt. Die Fahrzeugbatterie wird dabei mittels Federelementen auf einer Bodenplatte abgestützt. Das Tragelement ist am Fahrzeug befestigt. Das Bauteil ist in vertikales Richtung längenveränderbar. Das schwingungsfähige Bauteil schwingt in Längsrichtung der Anregung des aktivierbaren Bauteils.
Den Anmeldern ist weiterhin eine Lösung bekannt ( DE 196 43 180 A1 ), bei der ein piezoelektrischer Wandler angesteuert wird, um Schwingungen zu erzeugen und dadurch Schwingungen einer Einrichtung, an der die in der DE 196 43 180 A1 beschriebene Vorrichtung befestigt ist, zu dämpfen. Dabei wird der piezoelektrische Wandler angeregt, so dass mit diesem verbundene Teile der Vorrichtung schwingen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Vorrichtung zur Erzeugung von inertialen Kräften effizienter zu gestalten. Das bedeutet, dass das Verhältnis der erzeugbaren Kraft zur Gesamtmasse der Vorrichtung optimiert werden soll.
die Vorrichtung also so konstruiert werden, dass der überwiegende Teil der Vorrichtung aus schwingungsfähigen Massen besteht, so dass das Gesamtgewicht der Vorrichtung minimiert werden kann. Das wenigstens eine Tragelement kann so konstruiert werden, dass es bei minimaler Masse eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, um die Vorrichtung halten zu können.
Das Verhältnis der Inertialmasse, die zur Erzeugung der gewünschten Kräfte erforderlich ist, zur Gesamtmasse der Vorrichtung wird maximiert und weiterhin wird die Inertialmasse durch die Implementierung einer mechanischen Transformation zur Verstärkung der vom aktiven Bauteil erzeugten Schwingamplitude minimiert. Dies kann durch die Form und Auslegung der federelastischen Aufhängungselemente erreicht werden, die zur Realisierung dieser Optimierungsaufgabe beitragen.
Die federelastischen Aufhängungselemente sind vorteilhaft so ausgelegt, dass

• die erwünschte mechanische Transformation über die Anstellwinkel zur Wirkrichtung des aktiven Bauteils erzielt wird,
• eine Stabilisierung der Vorrichtung durch eine Aufhängung jedes der beiden federelastischen Elemente an dem Tragelement erreicht wird,
• die parallele Anordnung der federelastischen Elemente eine Maximierung der schwingfähigen Massen ermöglicht,
• die Steifigkeit parallel zum aktiven Bauteil für die Einstellung dessen mechanischer Vorspannung ausreicht aber gleichzeitig gering ist gegenüber der Steifigkeit des aktiven Bauteils, um somit den Großteil des Arbeitspotenzials des aktiven Bauteils zur Bewegung der schwingfähigen Massen nutzen zu können,
• die Steifigkeit in Richtung der Massenschwingung möglichst gering ist, um somit eine große Auslenkung der Massen zuzulassen sowie eine niedrige Eigenfrequenz der Massenschwingung einzustellen
• die Steifigkeit in allen anderen Bewegungsrichtungen möglichst groß ist, um unerwünschte parasitäre Schwingungen zu verhindern und somit ein möglichst breites Frequenzband für den Betrieb nutzbar zu machen,
• eine geringe Eigenmasse aufweisen, um den Einfluss parasitärer Schwingungen gering zu halten sowie um das Verhältnis der Inertial- zur Gesamtmasse der Vorrichtung nicht ungünstig zu beeinflussen und
• sie eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um den statischen und dynamischen Belastungen langfristig Stand zu halten.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist das wenigstens eine Bauteil an wenigstens einem Tragelement sowie an einer schwingungsfähigen Masse befestigt.
Dabei wird das Bauteil also an dem Tragelement abgestützt, wodurch die schwingungsfähige Masse zu Schwingungen anregbar ist. Dabei ist das Bauteil an dem Tragelement und/oder an der schwingungsfähigen Masse drehbeweglich befestigt, um die entsprechenden Schwingungen der Masse zu ermöglichen.
Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 3 ist das wenigstens eine Bauteil zwischen zwei schwingungsfähigen Massen befestigt, wobei die schwingungsfähigen Massen gleichsinnig schwingen.
Dabei kann das wenigstens eine Bauteil vorteilhaft starr an den schwingungsfähigen Massen befestigt werden. Die Befestigung des wenigstens einen Bauteils wird dadurch vereinfacht. Vorteilhaft ist die federelastische Verbindung der schwingungsfähigen Massen mit dem zugehörigen Tragelement ebenfalls so ausgebildet, dass die gleichsinnige Schwingung der Massen unterstützt wird.
Es sind also vergleichsweise schwere schwingungsfähige Massen vorhanden, die über das wenigstens eine aktive Bauteil miteinander verbunden sind und zu Schwingungen anregbar sind. Diese Massen sind weiterhin über vergleichsweise leichte federelastische Elemente an dem zugehörigen Tragelement befestigt.
In der vorgeschlagenen Vorrichtung ist die schwingfähige Masse in zwei vorzugsweise gleichgewichtete Anteile aufgeteilt, die mittels eines aktiven Bauteils (beispielsweise einem magnetostriktiven Stab) miteinander verbunden sind. Mit entsprechender elektrischer Anregung erzeugt das aktive Bauteil eine über eine federelastische Aufhängung durch Hebelwirkung verstärkte und um 90 grad in der Wirkrichtung gedrehte Schwingung der Inertialmasse. So schwingt die Masse und somit wirkt die dynamische inertiale Kraft senkrecht zur Auslenkung des aktiven Bauteils, wobei das aktive Bauteil nun Bestandteil der schwingfähigen Masse ist. Somit besteht die nicht schwingfähige Masse im wesentlichen aus dem zur Befestigung der Vorrichtung an der Einrichtung bestimmten Tragelement, woraus sich ein günstiges Verhältnis der schwingfähigen Masse zu der Gesamtmasse der Vorrichtung ergibt.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 besteht das wenigstens eine Bauteil aus einem von Magnetfeldern anregbaren Material, wobei die Spulen zur Anregung des wenigstens einen Bauteils Bestandteil der schwingungsfähigen Massen sind.
Dadurch können vorteilhaft weiter die vergleichsweise schweren Spulen, die zur Anregung des wenigstens einen Bauteils benötigt werden, als Bestandteil der schwingungsfähigen Massen ausgestaltet werden. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine weitere Verbesserung des Verhältnisses der schwingungsfähigen Massen der Vorrichtung zum Gesamtgewicht der Vorrichtung.
Das von Magnetfeldern anregbare Material kann beispielsweise magnetostriktiv sein oder auch als magnetic shape memory Material ausgebildet sein.
Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 5 sind die federelastischen Elemente, die eine schwingungsfähige Masse mit einem Tragelement verbinden, parallel geführt.
Dadurch kann vorteilhaft die gesamte schwingfähige Masse mit der Amplitude der Auslenkung der Vorrichtung schwingen.
Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass sich eine gleichsinnige Schwingung der beiden Massen einstellt. Insbesondere wird durch diese Ausführung die Schwingung in Längsrichtung des Tragelementes ermöglicht.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 sind zwei schwingfähigen Massen vorhanden, die entlang deren seitlicher Kanten mittels einer Folie miteinander verbunden sind.
Dadurch können vorteilhaft Scherbewegungen der Massen gegeneinander vermieden werden. Vorteilhaft werden dadurch nur die erwünschten Schwingungen der Vorrichtung ausgeprägt.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die zwei Massenhälften so miteinander verbunden werden, dass sie in ihrer Bewegung in der Wirkrichtung der Vorrichtung parallel geführt werden, um somit eine Scher- bzw. Biegebelastung des aktiven Bauteil sowie das Auftreten von parasitären Schwingungsformen der Vorrichtung zu verhindern.
Weiterhin ist die Folie so gestaltet, dass die notwendigen relativen Bewegungen beim Auseinanderdrücken und Zusammenziehen des aktiven Bauteils ungehindert bleiben.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 weist das Bauteil sensorische Eigenschaften auf.
Dadurch kann vorteilhaft die dynamische Kraft der Vorrichtung bestimmt werden. Damit wird es beispielsweise möglich, eine Regelung zu realisieren durch eine Auswertung der dynamischen Kraft.
Die beschriebene Vorrichtung kann allgemein zur Erzeugung von Kräften eingesetzt werden wie beispielsweise zum Erzeugen erwünschter Schwingungen in einer Einrichtung (sogenannte Shaker). Die beschriebene Vorrichtung eignet sich beispielsweise auch zur Dämpfung der Schwingungen von Maschinen oder auch zum Einsatz bei der Dämpfung von Schwingungen bei Fahrzeugen jeglicher Art. Dies können beispielsweise Kraftfahrzeuge, Schiffe, Züge, Flugzeuge oder Hubschrauber sein. Gerade bei den Fahrzeugen erweist es sich als vorteilhaft, dass die Vorrichtung vergleichsweise klein ist und ein günstiges Verhältnis von schwingungsfähigen Massen zu der Gesamtmasse aufweist. Dadurch ist die Vorrichtung insgesamt vergleichsweise leicht, so dass die zuladbare Nutzlast der Fahrzeuge entsprechend groß werden kann.
Zur Dämpfung von Schwingungen verschiedener Frequenzen kann die Vorrichtung beispielsweise so ausgelegt sein, dass deren Eigenfrequenz einer Frequenz der zu dämpfenden Schwingungen entspricht. Weiterhin kann eine Schwingung einer oder auch mehrerer anderer Frequenzen angeregt werden. Dadurch können Schwingungen verschiedener Frequenzen gedämpft werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Schwingung, die der Eigenfrequenz entspricht, auch ohne Ansteuerung der Vorrichtung gedämpft wird.
Die Vorrichtung dient also der Erzeugung einer inertialen Kraft in einer Einrichtung, auf der die Vorrichtung montiert ist, in einer durch die Geometrie der Vorrichtung bestimmten Vorzugsrichtung. Der Betrag der erzeugten Kraft ergibt sich entsprechend der Beschleunigung der schwingfähigen (Inertial-) Masse der Vorrichtung, die bei einer monofrequenten Schwingung proportional der Masse, der Auslenkung der schwingfähigen Masse sowie der zweiten Potenz der Schwingfrequenz ist. Eine solche Vorrichtung wird meist oberhalb der Eigenfrequenz betrieben, da dort der Betrag der dynamischen inertialen Kraft bei konstanter Anregung konstant und größer ist als die Kraft, die unterhalb der Eigenfrequenz erreicht werden kann.
Es ist grundsätzlich möglich, eine Spannschraube vorzusehen, um eine mechanische Vorspannung des wenigstens einen Bauteils zu erreichen. Dadurch kann das Schwingungsverhalten der Vorrichtung eingestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Die Figuren zeigen dabei im einzelnen
1: eine Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Wandler,
2: eine Vorrichtung mit einem magnetostriktiven Wandler,
3: eine Vorrichtung, die lediglich eine schwingungsfähige Masse aufweist und
4: eine Vorrichtung, bei der das Tragelement aus zwei Einzelteilen besteht.
1 zeigt eine Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Wandler 1. Es sind zwei schwingungsfähige Massen 2 und 3 zu sehen, die über den piezoelektrischen Wandler 1 miteinander verbunden sind. Weiterhin ist zu sehen, dass die schwingungsfähigen Massen 2 und 3 mittels jeweils zweier federelastischer Elemente 4 und 5 sowie 8 und 9 mit demselben Tragelement 6 verbunden sind.
Mit dem Tragelement 6 ist die Vorrichtung mit einer Einrichtung 7 verbindbar, deren Schwingungen gedämpft werden sollen.
Durch eine Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers 1 entsteht eine Auslenkung des piezoelektrischen Wandlers in Richtung des Pfeiles 10. Die Massen 2 und 3 schwingen aufgrund der federelastischen Elemente 4 und 5 sowie 8 und 9 überwiegend quer dazu nach oben und unten. Die Massen haben also eine Schwingungskomponenten in Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers sowie eine (ausgeprägte) Schwingungskomponenten senkrecht dazu.
Es ist zu sehen, dass die federelastischen Elemente 4 und 5 sowie 8 und 9 jeweils parallel zueinander geführt sind. Dadurch wird die Schwingung der jeweiligen Massen 2 und 3 in Längsrichtung des Tragelementes 6 ermöglicht bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers 1.
2 zeigt eine Vorrichtung, die vergleichbar ist der in 1 dargestellten Vorrichtung. Anstelle eines piezoelektrischen Wandlers 1 ist hier ein magnetostriktiver Wandler 201 vorhanden. Weiterhin sind Spulen 202, 203 zu sehen, zur Ansteuerung des magnetostriktiven Wandlers 201. Es ist zu sehen, dass sowohl die Spulen 202, 203 als auch der magnetostriktive Wandler mit den schwingungsfähigen Massen 2 und 3 verbunden sind und somit einen Teil der schwingungsfähigen Massen bilden. Dadurch wird das Verhältnis der schwingungsfähigen Massen der Vorrichtung zur Gesamtmasse der Vorrichtung optimiert.
3 zeigt eine Ausgestaltung, bei der lediglich eine schwingungsfähige Masse 305 vorhanden ist. Das Tragelement 301 ist an einer Einrichtung 302 befestigbar. An dem Tragelement 301 sind zwei federelastische Elemente 303 und 304 befestigt, mittels denen die schwingungsfähige Masse 305 mit dem Tragelement 301 verbunden ist.
Es ist weiterhin ein Bauteil 306 aus einem aktivierbaren Festkörpermaterial vorhanden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Bauteil 306 sowohl an seiner Befestigung 307 an dem Tragelement 301 als auch an seiner Befestigung 308 an der Masse 305 drehbeweglich angebracht, um den Bewegungen der schwingungsfähigen Masse folgen zu können.
Bei der Ausgestaltung der 4 ist zu sehen, dass das Tragelement 6 hier aus zwei Einzelteilen besteht, an denen jeweils eine der Massen 2 bzw. 3 befestigt ist. Die beiden Einzelteile können dabei auch separat an der Einrichtung 7 befestigbar sein.
Um die gleichsinnige Schwingung der Massen 2 und 3 zu ermöglichen, sind die federelastischen Elemente 4 und 5 sowie 8 und 9 spiegelsymmetrisch zu einer Achse in der Senkrechten angeordnet.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von inertialen Kräften auf eine Einrichtung (7), wobei Kräfte erzeugbar sind durch das Erzeugen von Schwingungen durch eine Anregung von schwingungsfähigen Teilen (2, 3; 305) der Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine schwingungsfähige Masse (2, 3; 305) mittels wenigstens einem Bauteil (1, 201, 306) aus einem aktivierbaren Festkörpermaterial in Schwingungen versetzbar ist durch eine Anregung des wenigstens einen Bauteils (1, 201, 306) aus dem aktivierbaren Festkörpermaterial, wobei die wenigstens eine schwingungsfähige Masse (2, 3; 305) weiterhin mittels wenigstens zweier federelastischer Elemente (4, 5; 8, 9; 303, 304) an wenigstens einem Tragelement (6; 301) befestigt ist, wobei das wenigstens eine Tragelement (6; 301) an der Einrichtung (7; 302) befestigbar ist, auf die Kräfte übertragen werden sollen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil (306) an wenigstens einem Tragelement (301) sowie an einer schwingungsfähigen Masse (305) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil (1, 201) zwischen zwei schwingungsfähigen Massen (2, 3) befestigt ist, wobei die schwingungsfähigen Massen gleichsinnig schwingen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil (1, 201, 306) aus einem von Magnetfeldern erregbaren Material besteht und dass die Spulen (202, 203) zur Anregung des wenigstens einen Bauteils (1, 201, 306) Bestandteil der schwingungsfähigen Massen (2, 3, 305) sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastischen Elemente (4, 5; 8, 9; 303, 304), die eine schwingungsfähige Masse (2, 3; 305) mit wenigstens einem Tragelement (6; 301) verbinden, parallel geführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei schwingfähigen Massen (2, 3) vorhanden sind, die entlang deren seitlicher Kanten mittels einer Folie miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil (1, 201; 306) sensorische Eigenschaften aufweist.