DE19638695B4

DE19638695B4 - Modularer Schwingungskraftgenerator und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE19638695B4
Application number: DE19638695A
Authority: DE
Inventors: Kenneth D. Garnjost; Gonzalo J. Rey
Original assignee: Moog Inc
Current assignee: Moog Inc
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2016-09-21
Also published as: GB2305488B; GB2305488A; JP3794764B2; DE19638695A1; GB9618759D0; JPH09187729A; US5903077A

Abstract

Modularer Kraftgenerator, mit wenigstens zwei Modulen, wobei jedes Modul gegenläufig umlaufend antreibbare exzentrische Massen aufweist und die Module, die zueinander beabstandet auf einem Träger gelagert sind,
ferner mit einer Servosteuerung, welche derart ausgebildet ist, dass sie bei einem eingangsseitigen sinusförmigen Steuersignal Ausgangssignale liefert, die den Modulen zuführbar sind, um eine resultierende Vibration aus den Modulen zu erreichen, welche mit dem Eingangssignal in Frequenz und Phase übereinstimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes Modul (12) in einem eigenen Gehäuse (16) angeordnet ist,
jedes Modul (12) zwei identische Rotoren (20, 21) enthält, die über an ihrem Umfang angeordnete miteinander kämmende Zähne (35) in Wirkverbindung stehen, um ihre gegenläufige Drehung mit vorgegebener Phasenbeziehung zu erreichen, und
dass ein einziger Antriebsmotor (28) für beide Rotoren eines Moduls vorgesehen ist, welcher in einem der Rotoren angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Schwingungskraftgeneratoren, und insbesondere einen verbesserten Schwingungskraftgenerator, der dazu eingesetzt werden kann, selektiv Gegenschwingungen zu erzeugen, um den Gesamtpegel der Schwingungen in einer Anordnung zu verringern.

Aktive Gegenschwingungsvorrichtungen wurden in Hubschraubern dazu verwendet, hohen Schwingungspegeln entgegenzuwirken und diese auszulöschen, welche vom Rotor auf den Rumpf übertragen wurden. In dem US-Patent Nr. 4 819 182 sind elektrohydraulische Servobetätigungsglieder parallel zu federelastischen Montagevorrichtungen zwischen den Rotoren und dem Rumpf angeordnet und arbeiten so, dass sie das Getriebegehäuse in Trägheitsschwingungen versetzen, um Ausgleichskräfte zu erzeugen.

In anderen Hubschraubern kann es jedoch unpraktisch sein, federelastische Montagevorrichtungen zwischen den Rotoren und dem Rumpf vorzusehen. In derartigen Fällen kann es erforderlich sein, Massenelemente einzusetzen, die wahlweise in Schwingungen versetzt werden können, um die gewünschten Gegenschwingungen zu erzeugen. Diese Massenelemente können in dem Sinn "parasitär" sein, dass sie für nachts anderes als zur Erzeugung einer derartigen Gegenschwingung eingesetzt werden. Offensichtlich ist es wesentlich, dass das zusätzliche Gewicht derartiger Elemente auf ein Minimum begrenzt wird, während diese Elemente die erforderlichen Pegel der Schwingungskraft erzeugen können müssen.

Hohe Massenbeschleunigungspegel können in der Praxis dadurch erzielt werden, dass eine vorbestimmte Masse bei der gewünschten Schwingungsfrequenz exzentrisch gedreht wird, um einen sich drehenden Kraftvektor zu erzeugen. Es ist bekannt, zwei gegensinnig rotierende exzentrische Massen einzusetzen, um eine linear schwingende Kraft zu erzeugen, ähnlich wie jener, die durch eine Masse entwickelt wird, die auf einer Feder schwingt, durch Summierung zweier Drehvektoren. Die Orthogonalkomponenten dieser Vektoren addieren sich entlang einer Wirkungsrichtung, und gleichen sich im rechten Winkel zu dieser aus. Die Amplitudenregelung, die für Gegenschwingungseinsätze erforderlich ist, macht es erforderlich, dass die Oszillationskraft, die durch ein zweites Paar sich im Gegensinn drehender exzentrischer Massen erzeugt wird, mit der entsprechenden Oszillationskraft vektorsummiert wird, die von einem ersten Paar erzeugt wird. Die resultierende Schwingungskraftamplitude kann von Null auf das Vierfache der Kraft eingestellt werden, die von einem einzelnen Rotor erzeugt wird, mit Hilfe einer einstellbaren Relativphasenregelung. Eine mechanische Verwirklichung einer derartigen Vorrichtung ist in dem US-Patent Nr. 3 208 292 beschrieben, wobei zwei Paare sich im Gegenuhrzeigersinn drehender, exzentrischer Massen über eine einstellbare Differentialgetriebeanordnung mit einem gemeinsamen Antriebsmotor gekuppelt sind. Dieses Getriebe wird zur Änderung der Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Kräften verwendet, die von den Massenpaaren erzeugt werden, um die Amplitude der sich ergebenden Vektorsummenkraft zu steuern oder zu regeln.

Eine ähnliche Vorrichtung, die eine Gruppe exzentrischer Rotoren verwendet, die jeweils von einem getrennten elektrischen Servomotor angetrieben werden, ist in dem US-Patent Nr. 5 005 439 beschrieben. Diese Vorrichtung erzeugt einen oszillierenden Kraftvektor in einer Ebene, der nicht nur bezüglich der Amplitude, sondern auch bezüglich der Richtung gesteuert oder geregelt werden kann. Sie nutzt die Motordrehungswinkelregelung, kombiniert mit einer verschachtelten mechanischen Anordnung, um eine Vorrichtung zu erzeugen, die eine regelbare Oszillationskraft-Ausgangsleistung aufweist. Allerdings scheint diese Vorrichtung kompliziert, voluminös und schwierig auf einem Rumpf anbringbar zu sein.

Das US-Patent Nr. 5 347 884 der vorliegenden Anmelderin beschreibt ebenfalls sich drehende exzentrische Massen, die durch unabhängige elektrische Servomotoren mit einer absoluten Drehwinkelregelung angetrieben werden. Die Erfindung verwendet jedoch mehrere sich zusammen drehende exzentrische Massen zur Erzeugung eines sich drehenden Kraftvektors, und setzt ein sich drehendes Paar ein, um den Effekt einer Störung infolge eines Ungleichgewichts bei der Drehung in bezug auf den Rumpf auszugleichen. Die Bedeutung dieser Veröffentlichung besteht darin, die Vorteile getrennt geregelter, von Servomotoren angetriebener Motoren zu erläutern, welche die Montage einer Gruppe von Drehvektorvorrichtungen an wirksamen Orten auf einer Anordnung ermöglichen. Vergleiche ebenfalls die europäische Patentanmeldung Nr. 88 400 904.4, die am 18. Oktober 1989 veröffentlicht wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach ausgebildeten modularen Kraftgenerator anzugeben, der den oben angesprochenen Bedürfnissen genügt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1, mit Weiterbildungen, die in den Unteransprüchen angegeben sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus denen – wie auch aus der voranstehenden Beschreibung – weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen; dies soll von den beigefügten Patentansprüchen umfasst sein. Es zeigt:
1 eine seitliche Teilansicht in Richtung auf die Innenwand eines Hubschrauberrumpfes (wobei die Innenhaut entfernt ist), wobei zwei Krafterzeugungsmodule so dargestellt sind, dass sie in einer bestimmten Vertikalbeziehung zwischen Spanten des Rumpfes stehen;
2 eine vertikale Teilschnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1;
3 eine vertikale Längsschnitt-Teilansicht entlang der Linie 3-3 von 2 des oberen Moduls;
4 eine horizontale Längsschnitt-Teilansicht entlang der Linie 4-4 von 3;
5 eine vertikale Querschnitts-Teilansicht entlang der Linie 5-5 von 3; und
6 ein schematisches Blockschaltbild der Servosteuervorrichtung zum Steuern oder Regeln des Betriebs der beiden Module.
Zunächst wird darauf hingewiesen, dass gleiche Bezugszeichen dieselben Bauteile, Abschnitte oder Oberflächen in konsistenter Weise in sämtlichen Zeichnungsfiguren bezeichnen sollen, da derartige Elemente, Abschnitte oder Oberflächen in der Beschreibung weiter geschildert oder erläutert werden können, zu welcher die nachstehende detaillierte Beschreibung gehört. Falls nicht ausdrücklich anders angegeben, sollen die Zeichnungen (beispielsweise in bezug auf Schraffur, Anordnung von Teilen, Verhältnisse, Ausmaße, usw.) zusammen mit der Beschreibung gelesen werden, und werden als Abschnitt der gesamten Beschreibung der vorliegenden Erfindung angesehen. Begriffe wie "horizontal", "vertikal", "links", "rechts", "oben" und "unten", und ebenso ihre Adjektiv- und Adverbialformen (beispielsweise "in Horizontalrichtung", "nach rechts", "nach oben", usw.) bezeichnen einfach die Orientierung der dargestellten Anordnung, wenn die jeweilige Figur dem Leser gegenüberliegt. Entsprechend beziehen sich die Begriffe "einwärts" und "auswärts" auf die Orientierung einer Oberfläche in bezug auf ihre Längsachse bzw. Drehachse.
Wie nunmehr aus den Zeichnungen hervorgeht, insbesondere aus den 1 und 2, stellt die vorliegende Erfindung in ihrer allgemeinen Form einen verbesserten modularen Kraftgenerator mit sich gegensinnig drehen den Massen zur Verfügung, der insgesamt durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, und zur Anbringung auf einer Anordnung ausgebildet ist, beispielsweise dem Rumpf 11 eines Hubschraubers, und der dazu ausgebildet ist, selektiv eine steuer- oder regelbare Schwingungskraft auf den Rumpf auszuüben. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Kraftgenerator dazu ausgebildet, eine Gegenschwingung auf den Rumpf zu übertragen, um den Schwingungen, die von dem Rotor (nicht gezeigt) auf den Rumpf übertragen werden, entgegenzuwirken und diese im Wesentlichen auszugleichen.
Der verbesserte Kraftgenerator 10 weist allgemein mehrere Module auf, von denen mehrere mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet sind, und die zur Anbringung auf der Anordnung ausgebildet sind, sowie eine Servosteuervorrichtung. Jedes Modul ist im Betrieb so angeordnet, dass es eine individuelle Schwingungskraft mit fester Amplitude und variabler Phase an dem Rumpf am jeweiligen Ort des Moduls erzeugt. Hierbei sind in den 1 und 2 zwei Module so dargestellt, dass sie in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind. Diese einzelnen Kräfte vereinigen sich daher, um eine sich ergebende Schwingungskraft mit steuer- oder regelbarer Amplitude in bezug auf die Anordnung zu erzeugen.
Wie am deutlichsten aus 6 hervorgeht, ist die Servosteuer- oder -regelungsvorrichtung dazu ausgebildet, mit einem einzigen sinusförmigen Steuer- oder Regelsignal versorgt zu werden, und kann die Frequenz und die Phase der sich ergebenden resultierenden Schwingungskraft so auswählen, dass diese identisch zur Frequenz bzw. Phase des Steuer- oder Regelsignals sind, und kann die Amplitude der resultierenden Schwingungskraft so wählen, dass sie proportional zur Amplitude des Steuer- oder Regelsignals ist.
In den 1 und 2 ist der Hubschrauberrumpf so dargestellt, dass er mehrere in horizontaler Richtung voneinander beabstandete, vertikale Spanten aufweist, von denen mehrere mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet sind, und mit mehreren Sitzen (die gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet sind) versehen ist, die auf dem Rumpfboden sitzen. Weiterhin weist der dargestellte Rumpf mehrere Fenster auf, von denen mehrere mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet sind. Der Abstand zwischen den Spanten wird durch mehrere dazwischen angeordnete, mit ihrer Längsrichtung horizontal angeordnete und vertikal voneinander beabstandete Längsversteifungsträger aufrechterhalten.
Wie besonders deutlich aus den 3 bis 5 hervorgeht, weist jedes Modul 12 ein Paar mit einer Verzahnung versehener exzentrischer Massen 20, 21 auf, die drehbeweglich innerhalb einer Kammer 22 gelagert sind, die in einem Gehäuse 16 vorbesehen ist. Das Gehäuse 16 ist als in horizontaler Richtung längliches, im wesentlichen rechteckiges Teil dargestellt, welches einen sich nach außen erstreckenden Umfangsflansch 18 aufweist, in welchem mehrere Montagelöcher vorgesehen sind, von denen einige mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet sind. In dem Gehäuse sind zwei rohrförmige Halterungswellen angeordnet, die mit dem Bezugszeichen 23 bzw. 24 bezeichnet sind. Die exzentrische Masse 20 ist über ein Rollenlager 25 drehbeweglich um eine rohrförmige Nabe 23 gelagert. Entsprechend ist die exzentrische Masse 21 drehbeweglich um eine rohrförmige Nabe 24 über ein weiteres Rollenlager gelagert, das wiederum mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet ist. Die dezentrierte Masse ist mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet.
Ein Motor, der insgesamt mit 28 bezeichnet ist, ist im Betrieb innerhalb der linken Nabe 23 angeordnet. Dieser Motor weist einen Läufer 29 auf, der von einer Wicklung 30 umgeben ist, und weist eine drehbare Abtriebswelle 31 auf. Ein Drehzapfen 32 ist auf der Abtriebswelle 31 angebracht, und steht mit zwei Mitläuferzahnrädern im Eingriff, von denen einige mit dem Bezugszeichen 33 an den der Uhrzeit 3.00 Uhr und 9.00 Uhr entsprechenden Positionen dargestellt sind (4).
Diese Mitläuferzahnräder stehen im Eingriff mit einem Hohlrad 34 auf der exzentrischen Masse 20. Daher kann der Motor 28 selektiv in Betrieb gesetzt werden, dass er die Abtriebswelle und das Ritzel 32 zur Drehung veranlasst. Dies ruft eine entsprechende Drehung- der Mitläuferzahnräder 33, 33 hervor, und veranlasst darüber hinaus die exzentrische Masse 20 zu einer Drehung um die Achse der Nabe 23. Die exzentrischen Massen 20, 21 weisen Umfangsverzahnungen 35, 35 auf, die miteinander im ständigen Eingriff stehen. Die Drehung der linken Masse 20 ruft daher eine entsprechende gegenläufige Drehung der rechten Masse 21 hervor. Die Exzentrizitäten der Massen sind normalerweise um 180° gegeneinander versetzt. Der Motor 28 veranlasst daher die exzentrischen Massen 20, 21, die durch die Verzahnungen 35, 35 gekuppelt sind, zu einer gegenläufigen Drehung in bezug aufeinander. Die beiden Module sind vertikal voneinander beabstandet angeordnet, so dass sie jeweilige Kräfte erzeugen, die in vertikaler Richtung wirken, jedoch nicht in horizontaler Richtung, im Wesentlichen in derselben Ebene.
Wie in 6 gezeigt ist, ward ein sinusförmiges Steuer- oder Regelsignal, welches eine Amplitude A und einen Phasenwinkel ⊝ aufweist, zuerst einem Signalprozessor 36 zugeführt. Dieser erzeugt zwei Ausgangssignale, ⊝ – α bzw. ⊝ + α. Das erste dieser Signale wird als positive Eingangsgröße einem Summierpunkt 38 zugeführt. Das Fehlersignal von dem Summierpunkt 38 wird dann einem Verstärker 39 und daraufhin dem Motor 28 des ersten Moduls 12 zugeführt. Die exzentrischen Massen 20, 21 drehen sich im Gegensinn, so dass sie eine oszillierende Vertikalkraft F₁ erzeugen, die einen Phasenwinkel von ⊝ – α aufweist. Die Winkelposition der exzentrischen Massen wird durch einen Positionswandler oder Drehmelder 40 überwacht, der ein Gegenkopplungssignal über die Leitung 41 dem Summierpunkt 38 zuführt.
Der Signalprozessor erzeugt darüber hinaus ein zweites Signal, ⊝ + α, welches als positive Eingangsgröße einem zweiten Summierpunkt 38' zugeführt wird. Das Fehlersignal von dem Summierpunkt 38' wird einem Motortreiberverstärker 39' zugeführt, und dann dem Motor 28' eines zweiten Modul 12'. Der Motor 28' veranlasst die exzentrischen Massen 20', 21' zu einer Drehung, wobei wiederum eine Vertikalkraft F₂ erzeugt wird. Wogegen die Kraft F₁ einen Offset um einen Phasenwinkel von ⊝ – α aufwies, weist die Kraft F' einen Offset gegenüber dem Ursprung um einen Phasenwinkel von ⊝ + α auf. Die Position der beiden exzentrischen Massen 20', 21' wird durch einen Drehmelder 40' bestimmt, der ein Gegenkopplungssignal über die Leitung 41' dem Summierpunkt 36' zuführt.
Der erfindungsgemäße Kraftgenerator ist dazu ausgebildet, auf eine Anordnung angebracht zu werden, um selektiv eine steuer- oder regelbare Schwingungskraft auf die Anordnung auszuüben. Der Kraftgenerator weist mehrere (beispielsweise zwei oder mehr) Module auf, die zur Anbringung auf der Anordnung ausgebildet sind. Jedes Modul ist im Betrieb so angeordnet, dass es an beabstandeten Orten eine individuelle Schwingungskraft mit fester Amplitude und variabler Phase erzeugt. Die einzelnen Kräfte vereinigen sich, so dass eine resultierende Schwingungskraft mit steuer- oder regelbarer Amplitude auf die Anordnung einwirkt. Der verbesserte Kraftgenerator gemäß der Erfindung weist weiterhin eine Servosteuervorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, mit einem einzigen sinusförmigen Steuer- oder Regelungssignal versorgt zu werden, und welche die Frequenz und Phase der resultierenden Schwingungskraft so ausbilden kann, dass sie gleich der Frequenz bzw. Phase des Steuersignals sind, und welche die Amplitude der resultierenden Schwingungskraft dazu veranlassen kann, dass sie proportional zur Amplitude des Steuer- oder Regelungssignals ist.
Im Gebrauch stellt die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Verringern von außen angeregter Schwingungen in einer Anordnung zur Verfügung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Anbringen mehrerer modularer Kraftgeneratoren mit sich gegenläufig drehenden exzentrischen Massen auf der Anordnung an Punkten, die durch die Erregerfrequenz in Schwingungen versetzt werden können; Erzeugen von Signalen, welche dynamische Beschleunigungen und mehrere Orte auf der Anordnung repräsentieren; Anlegen dieser Signale an Verarbeitungsvorrichtungen, welche eindeutige Sollwert-Signale für jeden der Kraftgeneratoren erzeugen; und kontinuierliches Einstellen der Größe und Phase der Schwingungskräfte, die von den Generatoren erzeugt werden, in Reaktion auf die Sollwert- Signale, um so optimal den Gesamtpegel der Schwingungen der Anordnung bei der Erregerfrequenz zu verringern. Die Module können auf der Anordnung so angebracht werden, dass sie eine Horizontalkraft erzeugen, oder eine Kraft, die sowohl Horizontal- als auch Vertikalkomponenten aufweist. Die beiden Module müssen nicht notwendigerweise jeweilige Kräfte in einer gemeinsamen Ebene erzeugen. Alternativ hierzu können sie je nach Wunsch Seite an Seite angeordnet werden. Darüber hinaus könnte jedes Modul mit zwei getrennten Motoren versehen sein, von denen jeder seine eigene exzentrische Masse antreibt, statt dass ein einzelner Motor zwei gekuppelte Massen antreibt.
Selbstverständlich lassen sich zahlreiche Änderungen und Modifikationen vornehmen. Die Anordnung der exzentrischen Massen lässt sich leicht abändern. Zwar wurde hier geschildert, dass die beiden Massen über eine Verzahnung am Umfang miteinander gekuppelt sind, wobei ein einzelner Elektromotor beide Massen antreibt, lässt sich diese Anordnung abändern oder modifizieren. Auch das Gehäuse kann andere Formen und Abmessungen annehmen als voranstehend beschrieben wurde.

Claims

Modularer Kraftgenerator, mit wenigstens zwei Modulen, wobei jedes Modul gegenläufig umlaufend antreibbare exzentrische Massen aufweist und die Module, die zueinander beabstandet auf einem Träger gelagert sind, ferner mit einer Servosteuerung, welche derart ausgebildet ist, dass sie bei einem eingangsseitigen sinusförmigen Steuersignal Ausgangssignale liefert, die den Modulen zuführbar sind, um eine resultierende Vibration aus den Modulen zu erreichen, welche mit dem Eingangssignal in Frequenz und Phase übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (12) in einem eigenen Gehäuse (16) angeordnet ist, jedes Modul (12) zwei identische Rotoren (20, 21) enthält, die über an ihrem Umfang angeordnete miteinander kämmende Zähne (35) in Wirkverbindung stehen, um ihre gegenläufige Drehung mit vorgegebener Phasenbeziehung zu erreichen, und dass ein einziger Antriebsmotor (28) für beide Rotoren eines Moduls vorgesehen ist, welcher in einem der Rotoren angeordnet ist.
Kraftgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (28) eine Abtriebswelle aufweist, welche konzentrisch mit der Drehachse des den Antriebsmotor aufweisenden Rotors ist.
Kraftgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (28) ein Elektromotor ist.
Kraftgenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Winkelpositionswandler (40) mit dem die absolute Winkelposition eines der Rotoren bestimmbar ist und diese Winkelposition als Rückkopplungssignal benutzt ist.
Kraftgenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Servosteuerung einen zum Antrieb des Motors (28) ausgebildeten Leistungsverstärker (39) aufweist und dass eine Positionsrückkopplungsschleife vorgesehen ist, so dass das Fehlersignal zwischen dem Sollwert-Signal und dem Rückkopplungssignal auf einen Wert in Richtung 0 bringbar ist.
Kraftgenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Servosteuerung eine Signalverarbeitungsvorrichtung (36) aufweist, mit der Stellsignale für jede der Positionsrückkopplungsschleife in Abhängigkeit von dem Steuersignal gebildet sind.
Kraftgenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich diesen einzelnen Modulen zugeführten Signale in ihrer Phase unterscheiden.