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WO2002018815A1 - Verfahren und tilgervorrichtung zur absorption einer unerwünschten erregung - Google Patents

Verfahren und tilgervorrichtung zur absorption einer unerwünschten erregung Download PDF

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Publication number
WO2002018815A1
WO2002018815A1 PCT/DE2001/003229 DE0103229W WO0218815A1 WO 2002018815 A1 WO2002018815 A1 WO 2002018815A1 DE 0103229 W DE0103229 W DE 0103229W WO 0218815 A1 WO0218815 A1 WO 0218815A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
excitation
mass
detected
sensor
base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2001/003229
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Hofschulte
Norbert Scherm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Universitaet Hannover
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
Priority to JP2002523503A priority Critical patent/JP2004507689A/ja
Priority to EP01967013A priority patent/EP1409889A1/de
Priority to US10/362,603 priority patent/US20040041316A1/en
Publication of WO2002018815A1 publication Critical patent/WO2002018815A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/1005—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect characterised by active control of the mass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems

Definitions

  • the invention relates to a method for absorbing an unwanted excitation, in particular a vibration or an oscillation, the excitation being detected by a sensor and a signal for a displacement actuator being generated by means of a control unit, so as to avoid transmitting the excitation to a base. Furthermore, the invention relates to a device for performing the method.
  • Such a method and a device provided for this purpose are used in practice to keep disturbing vibrations away from sensitive technical devices. Ground vibrations or vibrations caused by airborne noise are particularly disruptive. Impairments caused by this can be found, for example, in measurement and laser technology, as well as in hard disks of data storage systems (head crash), or in the noticeable limitation of driving comfort for a passenger of a motor vehicle.
  • absorber devices are used in which the vibration is detected by acceleration sensors and compensated for by the displacement actuator.
  • this method is usually unsuitable at high frequencies because the displacement actuator has an upper limit frequency.
  • the working range of the arrangement is thus limited by the bandwidth of the travel actuator.
  • the problem arises in particular that the undesired excitation is only detected by the sensor on the base which supports the body, for example the body of a motor vehicle.
  • the displacement movement which is suitable for compensation, can be initiated by the displacement actuator, the shock can already be felt by the occupant, so that the influence of the vibration can be restricted but not prevented with such a device.
  • DE 197 25 770 A1 also discloses a device in which an additional mass is connected elastically to the system to be damped by means of a displacement actuator for damping over an enlarged frequency range.
  • the displacement actuator is intended to generate forces between the elastic system and the mass of the absorber device in addition to the mass on the system, so that vibration energy is extracted from the system.
  • a disadvantage here is the comparatively high outlay which is associated with the detection of the excitation and the control of the mass by the displacement actuator.
  • JP 22-25 839 already discloses an absorber device in which an acceleration sensor detects a filtered area of the excitation. The signal detected in this way is then converted into an opposite input signal for a piezo actuator, so that the vibrations can cancel each other out.
  • US Pat. No. 4,566,118 describes a method for vibration damping in which excitation in a specific area is canceled out by generating a second excitation synchronized with the first excitation.
  • a vibration sensor with a filter is used for this.
  • DE 196 21 700 A1 also discloses an active vibration reducer with a controllable magnetic bearing to achieve a desired damping effect.
  • the problem that has so far been unsolved in combating undesired excitation is that an acceleration sensor or a reference system is required in order to be able to produce a signal for the displacement actuator by means of an adjustment.
  • a reference system that is not influenced by the excitation can only be implemented with great effort.
  • the invention has for its object to absorb the unwanted excitation without the need for a complex reference system. At the same time, the efficiency of the process is to be increased. Furthermore, a device for performing the method is to be created.
  • a method in which the excitation is initially introduced into a mass and transmission of the excitation from the mass to the base is prevented by the sensor detecting a relative movement between the mass and the excitation, and from this for the displacement actuator certain signal is generated for a movement opposite to the mass.
  • the excitation initially acts only on the mass, a relative movement between the initiated movement and the mass, which is essentially based on the inertia, being detected by the sensor.
  • the transmission of this excitation, which acts on the mass, to the base is prevented by means of the displacement actuator by initiating a countermovement in good time.
  • the displacement actuator can be controlled in such a way that transmission of the excitation to the base is counteracted in good time so that it can be kept in complete calm.
  • the excitation is not only weakened, but is even balanced before an undesirable influence on the base, so that a transfer from the mass to the base is excluded.
  • An embodiment of the method according to the invention is particularly advantageous in which the deflection of a spring element which transmits the excitation to the mass is detected in order to determine the relative movement. This will cause excitement
  • the spring element can be arranged on a receptacle, for example that in this way the relative movement between the receptacle and the mass can be detected as a distance changed by the excitation.
  • Another advantageous modification of the present invention is provided by detecting the relative speed between the mass and the excitation.
  • a speed sensor known from the prior art can be used in a simple manner, by means of which the relative speed between the mass and a receptacle moved by the excitation is determined. The measured value recorded in this way is converted into a corresponding manipulated variable for the displacement actuator, so that the excitation has no effect on the base.
  • the sensor detects a relative rotary movement between the mass and the excitation.
  • the excitation acts on the mass, for example by means of a torsion spring, the relative rotational speed or the relative rotational angle of which is detected by the sensor and then serves as an input signal for the displacement actuator designed for this purpose as an angle actuator.
  • the second-mentioned object an absorber for absorbing unwanted excitation, in particular a vibration or a vibration, with a base supporting a structure, the distance of which from a mass movable by the excitation, arranged between the base and the location, can be changed by means of a displacement actuator, and with one Control unit by means of which a signal for the displacement actuator can be generated from a measured variable detected by a sensor, the mass being arranged to be movable relative to the location of the undesired excitation and this relative movement can be detected by the sensor and from this a signal intended for the displacement actuator can be generated is to create the method is achieved according to the invention in that the excitation can first be introduced into the mass and a transmission of the excitation from the mass to the base is prevented by a movement opposite to the mass.
  • a particularly advantageous development of the present invention is created in that the mass can be moved by the excitation by means of a spring element. As a result, the disturbing movement associated with the excitation is transmitted to the mass only by the spring element. This results in a deformation of the spring element corresponding to the spring constant, from which the relative movement between a receptacle of the spring facing away from the mass and the mass can be derived.
  • the relative speed can be detected during the deflection of the spring element in order to determine the corresponding signal for the travel actuator by means of the control unit.
  • Another particularly advantageous embodiment of the present invention is achieved, however, in that the deflection of the spring element can be detected. As a result, only the distance between a base point and a fixed point of the spring element connected to the ground, which is changed by the excitation, is determined in order to calculate the force acting on the excitation by means of the control unit.
  • the mass is arranged to be relatively movable relative to the excitation by means of a magnetic field.
  • the position of the mass can be predetermined via a control system, so that contactless positioning is achieved.
  • the precision of the control can be increased further because the system parameters required for this can be reproduced with a high degree of accuracy.
  • the excitation is recorded as a change in the parameters of the magnetic field or as a change in the position of the mass.
  • the displacement actuator has a controllable magnetic bearing.
  • Appropriate control of the travel actuator designed in this way enables a rapid and precise movement to be achieved, by means of which the base can be kept free of the undesired excitation.
  • the parameters of the magnetic bearing which are known per se, can be processed precisely with the aid of the control, so that a further increase in efficiency can be achieved.
  • Another, also very advantageous embodiment of the invention is achieved in that the mass is rotatably arranged and a relative rotational movement between the mass and the excitation can be detected by the sensor. In this way, an absorber device for a torsional vibration or excitation is created, by means of which, for example, the vibrations occurring in motors can be compensated in a simple manner.
  • a torsion spring can be used, by means of which the mass can be kept movable in a predetermined rest position with respect to the excitation.
  • a particularly effective modification of the present invention is achieved in that the relative angle of rotation between the mass and the excitation can be detected by the sensor.
  • the relative movement between the mass and the excitation can be detected with an accuracy that cannot be achieved by a conventional acceleration sensor.
  • a reference system is not required.
  • a further, particularly expedient embodiment of the present invention is achieved in that the damper device has a plurality of displacement actuators acting on a common basis, each with an associated sensor.
  • the high sensitivity of the speed sensor also opens up other fields of application. Since the movement of the lower mass can be reconstructed by the absorber device, the form of excitation can also be determined with the aid of an expanded control. This allows the relative movement of the foundation to be determined.
  • the acceleration of the excitation can also be determined by differentiating the signal from the speed sensor. An acceleration sensor implemented in this way has a higher sensitivity with a reduced manufacturing outlay than the sensors known from the prior art.
  • FIG. 3 shows a further absorber device with a magnetic bearing in a schematic diagram.
  • FIG. 1 shows a front view of an absorber device 1 with a base 2 which is intended for a structure which is not shown and which is to be protected against undesired excitation, for example a vibration or an oscillation.
  • the excitation acts via a foundation 3 on a receptacle 4 (foot) of the absorber device 1, which is thereby moved vertically by an unknown distance.
  • a spring element 5 By means of a spring element 5, the force caused by the excitation is transferred to a mass 6, the column 7 of which is essentially free to move both upwards and downwards in the receptacle 4.
  • the action of force leads to a deflection of the spring element 5, which can be detected by means of a sensor 8 as a relative movement between the column 7 and the receptacle 4.
  • the measured variable obtained in this way is then converted by means of a control unit 9 into a signal for a displacement actuator 10 connected to the mass 6, which permits a vertical change in length.
  • This change in length corresponds to its magnitude after excitation, with its direction of movement being opposite. Therefore, the excitation acts on the mass 6, but is compensated by the displacement actuator 10 in such a way that a reaction to the base 2 is excluded.
  • the travel actuator 10 is equipped with a connecting means 11 designed as a spring element in order to counteract a possible reaction of the base 2 to the mass 6.
  • the spring element 5 permits a movement of the mass 6 which deviates from the excitation.
  • the deflection of the spring element 5 which occurs here is detected by the sensor 8 and converted by means of the control unit 9 into a signal for the displacement actuator 10, a reference system, in particular for determining the relative arousal position, is not required. Due to the relative movement of the mass 6 which is delayed compared to the excitation, the compensating movement can be initiated by the displacement actuator 10 before the excitation is felt at the base 2.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the damper device 1.
  • the vertical fault 12 is shown Excitement.
  • This acts on the mass 6 via a spring-damper system 13 corresponding to the spring element 5 shown in FIG. 1 or the column 7 movable in the receptacle 4 idealized equation of motion of the spring-damper system 13 is calculated as an input variable for the travel actuator 10 represented here only by its functional equation.
  • the displacement actuator 10 thus sets a time-dependent correction distance 14 between the base 2 and the mass 6 that corresponds to the amount of the disturbance 12, so as to avoid the disturbance 12 acting on the base 2.
  • the generation of the signal for the travel actuator 10 is both time-discrete and continuously conceivable. A complete, exact replication of the unloaded spring-mass system over the entire frequency band is not absolutely necessary if the practical requirements do not require such high accuracy.
  • FIG. 3 shows a further absorber device 15, in which a mass 16 is held in a hanging arrangement in a predetermined rest position by a magnetic bearing 17. Excitation is detected as a change in the parameters of the magnetic field, whereby the relative movement between the mass 16 and a receptacle 18 can be determined. From this, a control variable for a displacement actuator 19, which is also designed as a magnetic bearing, is then calculated in order to be able to initiate a countermovement. A base 20 of the damper device 15 is therefore unaffected by the unwanted excitation and decoupled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Tilgervorrichtung (1) zur Absorption einer unerwünschten Erregung, insbesondere einer Erschütterung oder einer Schwingung. Hierzu wird eine Basis (2) mittels eines Wegstellgliedes (10) von der Erregung entkoppelt. Als Eingangssignal wird mittels einer Steuereinheit (9) eine durch die Erregung verursachte Relativbewegung zwischen der Aufnahme (4) und einer Masse (6), als eine Auslenkung eines die Aufnahme (4) und die Masse (6) verbindenden Federelements (5) erfasst. Zur Ansteuerung des Wegstellgliedes (10) ist daher kein von der Erregung unbeeinflusstes Referenzsystem erforderlich, so dass die Tilgervorrichtung (1) mit vergleichsweise geringem Aufwand realisiert werden kann. Zugleich wird die zeitverzögerte Übertragung von dem Federelement (5) auf die Masse (6) genutzt, um der Erregung bereits vor einer unerwünschten Einwirkung auf die Basis (2) entgegen zu wirken.

Description

Verfahren und Tilgervorrichtung zur Absorption einer unerwünschten Erregung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absorption einer unerwünschten Erregung, insbesondere einer Erschütterung oder einer Schwingung, wobei die Erregung durch einen Sensor erfaßt und mittels einer Steuereinheit ein Signal für ein Wegstellglied erzeugt wird, um so eine Übertragung der Erregung auf eine Basis zu vermeiden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein solches Verfahren und eine hierfür vorgesehene Vorrichtung werden in der Praxis eingesetzt, um störende Erschütterungen von empfindlichen technischen Geräten fernzuhalten. Störend wirken dabei insbesondere Bodenerschütterungen oder Erschütterungen durch Luft- schall. Hierdurch verursachte Beeinträchtigungen sind beispielsweise bei der Meß- und Lasertechnik ebenso anzutreffen, wie bei Festplatten von Datenspeicheranlage (Head-Crash) oder auch der merklichen Einschränkung des Fahrkomforts für einen Insassen eines Kraftfahrzeuges.
Weitere typische Anwendungsgebiete für Tilgervorrichtungen sind die Abschirmung empfindlicher Sensoren, insbesondere bei Versuchsanordnungen oder inertial stabilisierten Systemen im Bereich der Wehr- oder Überwachungstechnik und beim Einsatz bei Gefahrgut- oder Krankentransporten, wie auch allgemein zur Erhöhung des Komforts bei der Personenbeförderung.
Vielfach werden technische Systeme bereits mit Hilfe von Federn vor Erschütterungen geschützt. Solche passiven Systeme sind insbesondere aufgrund ihres Übertragungsverhaltens bei niederfrequenten Störungen nicht ausreichend.
Für hochpräzise Systeme werden Tilgervorrichtungen verwendet, bei denen die Erschütterung durch Beschleunigungssensoren erfaßt und mittels des Wegstellgliedes kompensiert wird. Dieses Verfahren ist jedoch bei hohen Frequenzen meist ungeeignet, da das Wegstellglied 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 Wegstellglied 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 Dämpfung über einen vergrößerten Frequenzbereich eine zusätzliche Masse mittels eines Wegstellgliedes elastisch an das zu dämpfende System angebunden ist. Mit dem Wegstellglied sollen Kräfte zwischen dem elastischen System und der Masse der Tilgervorrichtung zusätzlich zu der Masse an das System hervorgerufen werden, um so dem System Schwingungsenergie 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 störende Vibrationen von der Basis ferngehalten werden, indem das Wegstellglied mit gleicher Auslenkung in entgegengesetzter Richtung zur der Vibration bewegt wird, während ein Federelement die Basis stabilisiert.
Die JP 22-25 839 offenbart bereits eine Tilgervorrichtung, bei der ein Beschleunigungssensor 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 A 1 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 realisierbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unerwünschte Erregung zu absorbieren, ohne daß hierzu ein aufwendiges Referenzsystem erforderlich ist. Dabei soll zugleich der Wirkungsgrad des Verfahrens gesteigert werden. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchfüh- rung des Verfahrens geschaffen werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Erregung zunächst in eine Masse eingeleitet und eine Übertragung der Erregung von der Masse auf die Basis verhindert wird, indem durch den Sensor eine relative Bewegung zwischen der Masse und der Erregung erfaßt und daraus das für das Wegstellglied bestimmte Signal für eine der Masse entgegengesetzte Bewegung erzeugt wird. Hierdurch wirkt die Erregung zunächst lediglich auf die Masse, wobei eine im wesentlichen in der Massenträgheit begründete Relativbewegung zwischen der eingeleiteten Bewegung und der Masse durch den Sensor erfaßt wird. Die Übertragung dieser auf die Masse wirkenden Erregung auf die Basis wird mittels des Wegstellgliedes verhindert, indem rechtzeitig eine Gegenbewegung eingeleitet wird. Dadurch, daß die Erregung zunächst mit einer Verzögerung lediglich auf die Masse wirkt, kann das Wegstellglied derart angesteuert werden, daß einer Übertragung der Erregung auf die Basis rechtzeitig entgegengewirkt wird, so daß diese in vollkommener Ruhe gehalten werden kann. Dadurch wird die Erregung nicht lediglich abgeschwächt, sondern bereits vor einer unerwünschten Einflußnahme auf die Basis ausgeglichen, so daß eine Übertragung von der Masse auf die Basis ausgeschlossen ist.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zur Bestimmung der Relativbewegung die Auslenkung eines die Erregung auf die Masse übertragenden Federelementes erfaßt wird. Hierdurch wird die durch die Erregung
verursachte Verformung der Feder erfaßt, um mittels des Sensors durch die Steuereinheit ein Signal für das Wegstellglied zu bestimmen. Dabei ist insbesondere gegenüber einem nach dem Stand der Technik erforderlichen Beschleunigungssensor lediglich ein Wegsensor erforderlich, so daß neben einem geringeren Herstellungsaufwand zugleich auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei niederfrequenten Schwingungen erreicht wird, die durch einen Beschleunigungssensor mit lediglich unbefriedigender Genauigkeit erfaßt werden können. Das Federelement kann hierzu beispielsweise an einer Aufnahme angeordnet sein, so daß hierdurch die relative Bewegung zwischen der Aufnahme und der Masse als ein durch die Erregung veränderter Abstand erfaßt werden kann.
Eine andere vorteilhafte Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird dadurch geschaffen, daß die relative Geschwindigkeit zwischen der Masse und der Erregung erfaßt wird. Hierdurch kann in einfacher Weise ein nach dem Stand der Technik bekannter Geschwindigkeitssensor eingesetzt werden, durch den die Relativgeschwindigkeit zwischen der Masse und einer durch die Erregung bewegten Aufnahme bestimmt wird. Der so erfaßte Meßwert wird in eine entsprechende Stellgröße für das Wegstellglied umgesetzt, so daß eine Einwirkung der Erregung auf die Basis ausgeschlossen ist.
Eine andere vorteilhafte Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch erreicht werden, daß durch den Sensor eine relative Drehbewegung zwischen der Masse und der Erregung erfaßt wird. Hierdurch kann nach demselben Verfahren eine unerwünschte Drehschwingung verhindert werden. Dabei wirkt die Erregung beispielsweise mittels einer Drehfeder auf die Masse, deren relative Drehgeschwindigkeit oder deren relativer Drehwinkel durch den Sensor erfaßt und anschließend als Eingangssignal für das hierzu als Winkelstellglied ausgeführte Wegstellglied dient.
Die zweitgenannte Aufgabe, Tilgervorrichtung zur Absorption einer unerwünschten Erregung, insbesondere einer Erschütterung oder einer Schwingung, mit einer einen Aufbau tragenden Basis, deren Abstand von einer durch die Erregung beweglichen, zwischen Basis und dem Ort angeordneten Masse mittels eines Wegstellgliedes veränderbar ist, und mit einer Steu- ereinheit, mittels der aus einer durch einen Sensor erfaßten Meßgröße ein Signal für das Wegstellglied erzeugbar ist, wobei die Masse gegenüber dem Ort der unerwünschten Erregung beweglich angeordnet ist und diese relative Bewegung durch den Sensor erfaßbar und daraus ein für das Wegstellglied bestimmtes Signal erzeugbar ist, zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erregung zunächst in die Masse einleitbar ist und eine Übertragung der Erregung von der Masse auf die Basis durch eine der Masse entgegengesetzte Bewegung ausgeschlossen 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 Erregung als Störbewegung und der dadurch bedingten, gegebenenfalls verzögerten Bewegung der Masse bestimmt. Diese relative Bewegung läßt sich dabei mit wesentlich höherer Genauigkeit bestimmen, als durch einen konventionellen Beschleunigungssensor. Zugleich läßt sich die derart beschaffene Tilgervorrichtung mit vergleichsweise einfachen technischen Mitteln realisieren.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird dadurch geschaffen, daß die Masse mittels eines Federelementes durch die Erregung beweglich ist. Hierdurch wird die mit der Erregung verbundene Störbewegung ausschließlich durch das Federelement auf die Masse übertragen. Demnach ergibt sich eine der Federkonstante entsprechende Verformung des Federelementes aus der die Relativbewegung zwischen einer der Masse abgewandten Aufnahme der Feder und der Masse abgeleitet 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 Erregung veränderte Abstand zwischen einem Fußpunkt und einem mit der Masse verbundenen Fixpunkt des Federelementes bestimmt, um so die durch die Erregung einwirkende Kraft mittels der Steuereinheit zu errechnen.
Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Tilgervorrichtung wird auch dadurch geschaffen, daß die Masse mittels eines Magnetfeldes gegenüber der 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 Systemparameter mit einer hohen Genauigkeit reproduzierbar sind. Die 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 unerwünschten Erregung gehalten werden kann. Die an sich bekannten Parameter des Magnetlagers 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 erreicht, daß die Masse drehbeweglich angeordnet ist und eine relative Drehbewegung zwischen der Masse und der Erregung durch den Sensor erfaßbar ist. Hierdurch wird eine Til- gervorrichtung für eine Drehschwingung oder -erregung geschaffen, durch die in einfacher Weise beispielsweise die bei Motoren auftretenden Schwingungen ausgeglichen werden können. Hierzu kann eine Drehfeder zum Einsatz kommen, mittels der die Masse gegenüber der Erregung beweglich in einer vorbestimmten Ruheposition gehalten werden kann.
Dabei wird eine besonders effektive Abwandlung der vorliegenden Erfindung erreicht, indem der relative Drehwinkel zwischen der Masse und der Erregung durch den Sensor erfaßbar ist. Hierdurch kann die relative Bewegung zwischen der Masse und der Erregung mit einer durch einen konventionellen Beschleunigungssensor nicht erreichbaren Genauigkeit erfaßt werden. Dabei ist ein Bezugssystem nicht erforderlich. Denkbar ist es hier zugleich, auch anstelle eines Federelementes ein Magnetfeld vorzusehen, wodurch insbesondere unerwünschte Reibungseinflüsse vermieden werden können.
Dabei wird eine weitere, besonders zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 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 Erregungen erfaßt und durch die einzelnen Wegstellglieder ein zuverlässiger Ausgleich der Lage bzw. eine Lagestabilisierung erreicht werden.
Die hohe Empfindlichkeit des Geschwindigkeitssensors eröffnet auch weitere Anwendungsfelder. 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 Signals des Geschwindigkeitssensors ist auch die Beschleunigung der Erregung bestimmbar. Ein so realisierter Beschleunigungssensor weist eine höhere Empfindlichkeit bei zugleich verringertem Herstellungsaufwand auf, als die nach dem Stand der Technik bekannten 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.
Figur 1 zeigt eine Vorderansicht einer Tilgervorrichtung 1 mit einer Basis 2, die für einen nicht dargestellte und gegenüber einer unerwünschten Erregung, beispielsweise eine Er- schütterung oder eine Schwingung, zu schützenden Aufbau bestimmt ist. Die 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 Federelementes 5 wird dabei die durch die 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 einer 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 Erregung, wobei deren Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. Daher wirkt die Erregung zwar auf die Masse 6, wird aber derart durch das Wegstellglied 10 ausgeglichen, daß eine Rückwirkung auf die Basis 2 ausgeschlossen ist. Das Wegstellglied 10 ist hierzu mit einem als Federelement ausgeführten Verbindungsmittel 11 ausgestattet, um so einer möglichen Rückwirkung der Basis 2 auf die Masse 6 entgegen zu wirken.
Das Federelement 5 gestattet eine von der Erregung abweichende Bewegung 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 erregungsbedingten Position, nicht erforderlich ist. Aufgrund der gegenüber der Erregung verzögerten Relativbewegung der Masse 6 kann die Ausgleichsbewegung durch das Wegstellglied 10 eingeleitet werden, bevor die Erregung an der Basis 2 spürbar wird.
Die genaue Funktionsweise wird anhand der Figur 2 näher erläutert, die ein Schaltbild der Tilgervorrichtung 1 zeigt. Zu erkennen ist zunächst die als vertikale Störung 12 dargestellte Erregung. Diese wirkt über ein dem in Figur 1 dargestellten Federelement 5 bzw. dem in der Aufnahme 4 beweglichen Säule 7 entsprechendes, schematisch dargestelltes Feder- Dämpfer-System 13 auf die Masse 6. Der dabei erfaßte, gegenüber der Ruhelage verän- derte Abstand wird anhand der idealisierten Bewegungsgleichung des Feder-Dämpfer- Systems 13 als Eingangsgröße für das hierbei lediglich durch seine Funktionsgleichung dargestellte 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 kontinuierlich denkbar. Dabei ist eine vollständig, über das gesamte Frequenzband exakte Nachbildung des unbelasteten Feder-Masse-Systems nicht zwingend erforderlich, wenn die prak- tischen Erfordernisse eine derart hohe Genauigkeit nicht bedingen.
Figur 3 zeigt eine weitere Tilgervorrichtung 15, bei welcher eine Masse 16 in hängender Anordnung in einer vorbestimmten Ruhelage durch ein Magnetlager 17 gehalten wird. Eine Erregung wird dabei als eine Änderung der Kenngrößen des magnetischen Feldes erfaßt, wo- durch 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 einleiten zu können. Eine Basis 20 der Tilgervorrichtung 15 ist daher von der unerwünschten Erregung unbeeinflußt und entkoppelt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Absorption einer unerwünschten Erregung, insbesondere einer Erschütterung oder einer Schwingung, wobei die Erregung durch einen Sensor erfaßt und mittels einer Steuereinheit ein Signal für ein Wegstellglied erzeugt wird, um so eine Übertragung der Erregung auf eine Basis zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung zunächst in eine Masse eingeleitet und eine Übertragung der Erregung von der Masse auf die Basis verhindert wird, indem durch den Sensor eine relative Bewegung zwischen der Masse und der Erregung erfaßt und daraus das für das Wegstellglied bestimmte Signal für eine der Masse entgegengesetzte Bewegung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung eines die Erregung auf die Masse übertragenden Federelementes erfaßt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Ge- schwindigkeit zwischen der Masse und der Erregung erfaßt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Sensor eine relative Drehbewegung zwischen der Masse und der Erregung erfaßt wird.
5. Tilgervorrichtung (1, 15) zur Absorption einer unerwünschten Erregung, insbesondere einer Erschütterung oder einer Schwingung, mit einer einen Aufbau tragenden Basis (2, 20), deren Abstand von einer durch die Erregung beweglichen, zwischen Basis (2, 20) und dem Ort (Fundament 3) angeordneten Masse (6, 16) mittels eines Wegstellgliedes (10, 19) ver- änderbar 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 Ort (Fundament 3) der unerwünschten Erregung beweglich angeordnet ist und diese relative Bewegung durch den Sensor (8) erfaßbar und daraus ein für das Wegstellglied bestimmtes Signal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung zunächst in die Masse (6, 16) einleitbar ist und eine Übertragung der Erregung von der Masse (6, 16) auf die Basis (2, 20) durch eine der Masse (6, 16) entgegengesetzte Bewegung ausgeschlossen ist.
6. Tilgervorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (6) mittels eines Federelementes (5) durch die Erregung beweglich ist.
7. Tilgervorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des Federelementes (5) erfaßbar ist.
8. Tilgervorrichtung (15) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (16) mittels eines Magnetfeldes gegenüber der Erregung relativ beweglich angeordnet ist.
9. Tilgervorrichtung (15) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Wegstellglied (19) ein steuerbares Magnetlager aufweist.
10. Tilgervorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse drehbeweglich angeordnet ist und eine relative Drehbewegung zwischen der Masse und der Erregung durch den Sensor erfaßbar ist.
11. Tilgervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der relative Drehwinkel zwischen der Masse und der Erregung durch den Sensor erfaßbar ist.
12. Tilgervorrichtung (1, 15) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 11 , dadurch ge- kennzeichnet, daß die Tilgervorrichtung (1, 15) mehrere auf eine gemeinsame Basis (2, 20) wirkende Wegstellglieder (10, 19) mit einem jeweils zugeordneten Sensor (8) aufweist.
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