Dr.-Ing. Pietro Pagliarulo Adaptronische Hilfsmassesysteme zur Schwingungsreduzierung von mechanischen Strukturen In Flugzeugen, Automobilen, Eisenbahnen, Werkzeugmaschinen und allgemein mechanischen Strukturen aller Art können unerwünschte Schwingungen auftreten. Man versucht, solche Strukturschwingungen zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren, um Gefahr für Menschen und Maschinen abzuwenden, die Belastung der Umwelt (Lärm) zu verringern, die Lebensdauer der Systeme zu erhöhen sowie die Qualität technischer Pro-dukte oder Prozesse zu verbessern.
Hierfür kommen häufig Schwingungsabsorber mit Hilfsmassen zum Einsatz, die in passive und aktive Systeme unterschieden werden. Passive Systeme setzen die stö-rende Schwingungsenergie der Hauptstruktur in eine andere Energieform (z. B. in Wärme) um; sie sind einfach aufgebaut, aber nur in einem schmalen Frequenzbereich wirksam. Aktive Systeme hingegen leiten eine kompensierende "Gegen-energie" in die schwingende Struktur; sie wirken breitbandig, sind aber dafür wesent-lich aufwändiger.
Die in dieser Arbeit beschriebenen Hilfsmassesysteme können sowohl passiv als auch aktiv arbeiten. Die Eigenfre-quenz und die Dämpfungscharakteristik der Hilfsmassesysteme sind elektrisch einstellbar: semiaktiver Dämpfer. Eine besondere Eigen-schaft der hier vorgestellten Hilfsmassesysteme ist die adaptroniktypische hohe Funktions-dichte. Unter anderem werden dabei die sensorischen und aktorischen Eigen-schaften von so genannten aktiven Werkstoffen genutzt, die gleichzeitig einen Teil der Hilfsmasse bilden.
Die Grundlagen der Hilfsmassesysteme werden detailliert dargestellt. Nach einer Einführung über Maßnahmen, die prinzipiell zur Schwingungsreduzierung getroffen werden können, wird das Konzept der Schwingungsreduzierung durch Einleitung einer Kompensationskraft präsentiert. Die so genannten Hilfsmassesysteme werden abhängig von ihren inneren Eigenschaften klassifiziert. Besondere Beachtung wird dem Schwingungstilger und dem eigentlichen Hilfsmassedämpfer gewidmet.
Ein Kapitel beschäftigt sich mit dem Thema der Wegübersetzung und der Realisierung verschiedener Strukturen basierend auf piezoelektrischen und magnetostriktiven Materialien. Zwei unterschiedliche mechanische Strukturen zur Wegübersetzung werden vorgestellt. Das Design der Strukturen mittels FEM-Analyse und experimenteller Modalanalyse wird hier präsentiert. Der verwendete Testaufbau für die Durchführung der experimentellen Untersuchungen wird beschrieben.
Für den Fall des magnetostriktiven Hilfsmassedämpfers wird die Herleitung eines linearen und nichtlinearen Modells ausführlich gezeigt. Die Modelle wurden mit Hilfe von Matlab/Simulink® implementiert und durch zahlreiche Experimente messtechnisch validiert. Die Regelungskonzepte zur Realisierung der verschiedenen Betriebsmodi werden dargestellt und analysiert.
Ein Aspekt des nichtlinearen Verhaltens des Systems ist von der Hysterese des aktiven Werkstoffes bestimmt. Die positiven Effekte der Hysteresekompensation in der Ansteuerung der Aktoren für die Anwendung der Schwingungsreduzierung werden präsentiert.
Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Systeme sind in verschiedenen Anwendungen eingesetzt worden. Einige Ergebnisse, die in den europäischen Projekten MESA und MESEMA in Anwendungen wie Schwingungsreduzierung und aktive Lärmminderung in Flugzeugen erzielt worden sind, werden präsentiert.
Die einfache Realisierung der verschiedenen Betriebsmodi durch Verwendung von aktiven Materialien und speziellen Regelungsansätzen macht aus diesen adaptronischen Hilfsmassedämpfern sehr effektive Hilfsmittel zur Schwingungsreduzierung in einem weiten Einsatzbereich.

Schlagwörter: Hilfsmassesysteme; Hilfsmassedämpfer; Schwingungsdämpfung; Schwingungsreduzierung; Adaptronik; Active Vibration Control; Mechatronik

Berichte aus der Elektrotechnik