DE102018207140A1

DE102018207140A1 - Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang und Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102018207140A1
Application number: DE102018207140.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf; Jörg Litzba; Johannes Schäfer; Georg Tenckhoff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Airbus Helicopters Technik GmbH
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: DE102018207140B4; US11953072B2; US20210277975A1; WO2019215018A1; EP3635274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem Drehmoment führenden Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung von zumindest einem Sensor ein auf das Bauteil wirkendes Torsionsmoment ermittelt wird und das ermittelte Torsionsmoment zur Regelung zumindest eines im oder am drehmomentführenden Bauteil des Antriebsstrangs angeordneten verstellbaren Dämpfungselements und/oder zur Regelung einer Torsionssteifigkeit des drehmomentführenden Bauteils zur Reduzierung der Torsionsbelastung im Bauteil verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem drehmomentführenden Bauteil, die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Der Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs, wie beispielsweise Hubschraubers oder Flugzeug, erfüllt die Aufgabe, eine mechanische Verbindung zwischen einem Antrieb und einem Vor- oder Auftrieb (Luftschraube, Propeller, Fan einer Turbine) oder einem Stellantrieb (wie beispielsweise Landeklappe, Leitwerk, Fahrwerk) herzustellen, über welche durch eine Drehbewegung Energie übertragen wird.
In Antriebssträngen von Luftfahrzeugen spielen dynamische Vorgänge wie Torsionsschwingungen eine wesentliche Rolle. Torsionsschwingungen sind Schwingungen eines drehmomentführenden Bauteils. Insbesondere bei einem Wellenmassensystem mit großen Massenträgheitsmomenten und ausgedehnten Wellen, wie insbesondere in Antriebssträngen oder Antriebsanordnungen in Luftfahrzeugen, können Torsionsschwingungen entstehen, wenn beispielsweise rotierende Massen mittels drehmomentführender Bauteile miteinander gekoppelt werden.
Torsionsschwingungen sind im Antriebsstrang von Luftfahrzeugen weit verbreitet und häufig störend oder sogar gefährlich, wenn die Maschine in einer torsionskritischen Drehzahl läuft und die Schwingung durch Resonanz verstärkt wird. Eine Bedämpfung dieser Torsionsschwingungen ist in ausgedehnten Systemen auf mechanischem Wege oftmals nicht möglich.
Aus dem Stand der Technik ist grundsätzlich bekannt, die Torsionsschwingungen in Luftfahrtantriebssträngen mittels Torsionsdämpfern oder Torsionsschwingungsdämpfern zu reduzieren.
In der US2003089822A wird ein Verbrennungsmotor für ein Flugzeug beschreiben. Der Verbrennungsmotor umfasst eine Kurbelwelle, die ein erstes und zweites Ende definiert, einen Propeller und ein Getriebe, das zwischen dem ersten Ende der Kurbelwelle und dem Propeller angeordnet ist und den Propeller wirksam mit der Kurbelwelle verbindet. Ein Torsionsstab ist zwischen dem ersten Ende der Kurbelwelle und dem Getriebe angeordnet und verbindet die Kurbelwelle wirksam mit dem Getriebe. Ein Torsionsschwingungsdämpfer ist an einem der ersten und zweiten Enden der Kurbelwelle wirksam verbunden.
Aus der DE102007055336A1 und US2003089822A sind beispielsweise Torsionsschwingungsdämpfer in Antriebswellen von Luftfahrtzeugen bekannt.
Aus der GB729696A und US6290620B sind beispielsweise Torsionsdämpfer für Stellantriebe in Luftfahrzeugen bekannt.
Als nachteilig ist anzusehen, dass die Ermittlung der Schwingungen des Torsionsmoments oft zu ungenau ist, so dass auch die Güte der Ausgleichsvorgänge begrenzt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren bereitzustellen, das die Torsionsschwingungen noch weiter reduziert und eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Antriebsstrang mit geringen Torsionsschwingungen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung wird zudem durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst, zudem wird die Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst.
Die Erfindung geht demnach aus von einem Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem drehmomentführenden Bauteil.
Erfindungsgemäß wird nun unter Verwendung von zumindest einem Sensor ein auf das Bauteil wirkendes Torsionsmoment ermittelt und das ermittelte Torsionsmoment zur Regelung zumindest eines im oder am drehmomentführenden Bauteil des Antriebsstrangs angeordneten verstellbaren Dämpfungselements und zur Regelung einer Torsionssteifigkeit des drehmomentführenden Bauteils zur Reduzierung der Torsionsbelastung im Bauteil und damit im Antriebsstrang verwendet.
Ein drehmomentführendes Bauteil ist insbesondere ein um eine seiner Achsen drehbar gelagerter, insbesondere fester Körper, wie bspw. eine Welle. Ein drehmomentführendes Bauteil kann jedoch auch in der Form eines Getriebes vorliegen, das dazu dient, die Drehzahl und das Drehmoment, die am Antrieb anliegen, auf Werte zu übersetzen, die dem Arbeitsbereich des Vor- oder Auftriebs bzw. des Stellantriebs entsprechen.
Zunächst wird das zu dämpfende bzw. auszuregelnde Torsionsmoment genauer ermittelt und direkt einer Recheneinheit (ECU), beispielsweise Regler, zugeführt, wodurch beispielsweise eine höhere Genauigkeit gegenüber drehzahlbasierten Dämpfungsverfahren erreicht wird.
Der Regler wiederum regelt das veränderbare oder verstellbare Dämpfungselement, verändert also die Dämpfungsrate oder den Dämpfungsgrad und/oder regelt die Torsionssteifigkeit des drehmomentführenden Bauteils, was je nach Fall eine Erhöhung oder Verringerung der Torsionssteifigkeit bedeuten kann. Für die Ansteuerung des zumindest einen verstellbaren Dämpfungselements ist eine Frequenzauswertung des Torsions- oder Drehmomentsignals vorgesehen, wie beispielsweise eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) über ein kurzes Zeitintervall, um die Art der Anregung (lastseitig oder antriebsseitig) identifizieren zu können und an der richtigen Stelle zu dämpfen. Andere bekannte mathematischen Verfahren können ebenfalls benutzt werden.
Torsionssteifigkeit oder Verwindungssteifigkeit beschreibt dabei den Widerstand eines Körpers gegen elastische Verformung durch ein Moment.
Unter einem Dämpfungselement ist in diesem Zusammenhang ein Element oder eine Baueinheit zu verstehen, welches bzw. welche mechanische (Schwingungs-) Energie in Wärmeenergie oder eine andere Energieform umwandelt und sie so dem Schwingungssystem entzieht (Dissipation).
Dafür kommen grundsätzlich folgende, dem Fachmann bekannte Mechanismen in Betracht:

- Materialdämpfung auf mikroskopischer Ebene durch innere Reibung bzw. Plastizität eines Festkörpers,
- Viskosedämpfung durch Scherkräfte auf mikroskopischer Ebene in zähen Flüssigkeiten oder Gasen, und/oder
- Reibungsdämpfung auf makroskopischer Ebene durch Kräfte an der Grenzfläche zwischen relativ bewegten Reibpartnern.

Es hat sich herausgestellt, dass mittels der Erfindung ein adaptives oder aktiv verstellbares Dämpfungssystem für einen Antriebsstrang für ein Luftfahrzeug bereitgestellt werden kann.
Durch die Reduktion der Spitzenlast sind insbesondere leichtere Getriebe oder drehmomentführende Bauteile möglich. Zudem hat sich gezeigt, dass die Belastung von solchen regelbaren, das heißt verstellbaren Dämpfungselementen höher sein kann, als das im Stand der Technik der Fall ist.
Dies ist insbesondere bei dem aus der Luftfahrt bekannten Lastfall der Fall, bei dem einen Propeller umströmende Luft zum Starten eines ausgefallenen oder ausgeschalteten Motors genutzt wird (Windmilling). Dabei treten besonders hohe Lasten und Lastschwankungen auf, die in der Vergangenheit zu Schäden an konventionellen Torsionsdämpfern im Antriebsstrang geführt haben.
Bevorzugt ist das Verfahren, wenn das Torsionsmoment unter Verwendung von zwei Sensorelementen, nämlich einem ersten und einem zweiten Sensorelement, ermittelt wird. Vorzugsweise sind das erste und zweite Sensorelement dazu vorgesehen zumindest jeweils einen Drehwinkel und/oder jeweils eine Drehzahl zu erfassen. Mithin sind die beiden Sensorelemente als Drehwinkelsensoren bzw. Drehzahlsensoren ausgebildet. Insbesondere wird mittels der beiden Sensorelemente ein Differenzwinkel im drehmomentführenden Bauteil des Antriebsstrangs gemessen. Mittels der Differenzwinkelmessung kann bei Lasteinleitung die Verformung im drehmomentführenden Bauteil zwischen den beiden Sensorelementen erfasst werden. Insbesondere wird eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Sensorelement erfasst. Dadurch kann eine Torsion im drehmomentführenden Bauteil gemessen werden. Die Torsion im drehmomentführenden Bauteil ist im Wesentlichen von der Weichheit des Bauteils sowie vom Betrag des eingeleiteten Drehmoments abhängig. Mithin kann eine Winkeldifferenz der beiden gemessenen Drehwinkel auf die Torsionsbelastung des Bauteils geschlossen werden, wobei daraus eine Drehmomentbelastung des Bauteils bestimmt werden kann. Ferner kann auch die Drehzahl oder die Anzahl der Umdrehungen ebenfalls aus den Sensorsignalen erzeugt werden. Beispielsweise entspricht die zeitliche Ableitung des Drehwinkels in Abhängigkeit des gewählten Sensorelements einer Drehwinkelgeschwindigkeit.
Drehwinkelsensoren können beispielsweise eine absolute, magnetkodierte Winkelmessung durchführen. Alternativ können auch magnetische Sensorelemente in Kombination mit den in einer Getriebeanordnung vorhandenen Zahnrädern genutzt werden, wobei dies eine kostengünstige und robuste Messvariante darstellt. Andere Sensorelemente zur Drehwinkel- oder Drehwinkelgeschwindigkeitsmessung können ebenfalls verwendet werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem das Torsionsmoment unter Verwendung von einem einzigen Sensorelement ermittelt wird. Hierbei wird nicht wie bei zwei Sensoren üblich eine absolute Differenz, das heißt die Differenz zweier Absolutwerte ermittelt, sondern eine relative Differenz.
Hierzu können bevorzugt magnetoelastische oder magnetoresistive Sensoren, ein akustischer Sensor oder ein Drehwinkelsensor genutzt werden, die ausgebildet sind eine Verdrillung des zu messsenden Bauteils direkt zu messen.
Bei magnetoelastischen oder magnetoresistiven Sensoren werden die zu messenden Bauteile magnetisiert. Der Sensor erkennt eine Veränderung des Magnetfelds, wenn eine Änderung der mechanischen Eigenschaften auftritt, wie beispielsweise durch Scherbeanspruchung.
Die Funktion eines magnetoelastischen oder magnetoresistiven Sensors und eines Drehwinkelsensors kann auch durch einen akustischen Sensor, wie beispielsweise einen Luftschallsensor oder einen Körperschallsensor erreicht werden. Dieser kann am Antriebsstrang beispielsweise in einem Getriebe oder an einer Lagerstelle so angeordnet ist, dass die Frequenzen zweier im Antriebsstrang angeordneter Elemente erfasst werden. Als Antriebsstrangelemente kommen Elemente in Frage, die eine von der Drehzahl oder Last korrelierende Frequenz erzeugen, zum Beispiel Lager und Verzahnungen. Aus der Phasenverschiebung der Frequenzen oder Frequenzmuster der beiden Elemente und der bekannten Steifigkeit zwischen diesen Elementen wird das Drehmoment oder im Antriebsstrang wirkende Lasten (Biegung) berechnet.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass insbesondere magnetoelastische oder magnetoresistive Sensoren und akustische Sensoren ebenfalls bevorzugt zu Ermittlung des Torsionsmoments mittels zweier Sensorelementen verwendet werden.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Sensorelemente entweder von außen auf eine Antriebsstrangkomponente, wie beispielsweise Getriebe, Welle, Lagerung etc. angeordnet oder in diese integriert ist. Integriert bedeutet, dass das Sensorelement im Antriebsstrang existierende Bauteile zur Messung (zum Beispiel Zahnrad als Inkrementalgeber) oder zur Befestigung (Gehäuse) nutzt.
Bevorzugt ist ein Verfahren, wenn das ermittelte Torsionsmoment zur Regelung von zwei verstellbaren Dämpfungselementen zur Reduzierung der Torsionsbelastung im Bauteil verwendet wird. Zwei Dämpfungselemente haben den Vorteil, dass gezieltere Dämpfungen vorgenommen werden können, insbesondere bei langen Wellen oder bei einem Getriebe. So ist es von Vorteil, wenn ein Dämpfungselement an der Eingangswelle und ein anderes Dämpfungselement an der Ausgangswelle eines im Antriebsstrang angeordneten Getriebes angeordnet ist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist einen Antriebsstrang bereitzustellen, nämlich einen Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem Bauteil, das ausgebildet ist ein Drehmoment zu führen und ein antriebsseitige und ein lastseitiges Ende aufweist. Der Antriebsstrang umfasst zumindest ein Sensorelement, das ausgebildet ist ein auf das Bauteil wirkendes Torsionsmoment zu ermitteln. Der Antriebsstrang umfasst ferner ein verstellbares Dämpfungselement, das ausgebildet ist eine Torsionsbelastung im Bauteil zu reduzieren, insbesondere den Dämpfungsgrad des Bauteils zu verstellen und eine Torsionssteifigkeit des Bauteils zu verändern. Der Antriebsstrang umfasst ferner eine Steuer- und Regelungseinheit, die ausgebildet ist, das ermittelte Torsionsmoment auszuwerten und mittels des Torsionsmoments das verstellbare Dämpfungselement anzusteuern.
Der Vorteil des Antriebsstrangs liegt insbesondere darin, dass er mit Hilfe des adaptiven Dämpfungselements hohe Spitzenlasten abfangen kann und vom Gewicht her leichter ausgelegt werden kann.
Bevorzugt ist es, wenn das Dämpfungselement in einer Kuppeleinheit oder in einem Kupplungselement integriert ist, welche zwei Abschnitte des drehmomentführenden Bauteils miteinander verbindet.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn zwei Sensorelemente zur Ermittlung des Torsionsmoments vorgesehen sind.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zwei Dämpfungselemente zur Reduzierung der Torsionsbelastung vorgesehen sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es eine Vorrichtung bereitzustellen, insbesondere eine Regeleinrichtung eines Luftfahrzeugs, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung,
2: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs in einer zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung,
3: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs in einer dritten bevorzugten Ausführung der Erfindung,
4: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs einer bevorzugten Ausführung mit zwei Sensorelementen,
5: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs einer bevorzugten Ausführung mit einem Sensorelement,
6 bis 8: verschiedene Ausführungen eines verstellbaren Dämpfungselements,
9: einen Hubschrauber mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang,
10: ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang.

1 zeigt einen Antriebsstrang 10 eines als ein Flugzeug ausgebildetes Luftfahrzeugs. Der Antriebsstrang 10 verbindet einen Antrieb und einen Stellantrieb einer Landeklappe. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Antriebsstrang bspw. auch in einem Hubschrauber vorgesehen sein kann und dort eine mechanische Verbindung zwischen einem Antrieb und einer Luftschraube oder einem Propeller herstellen kann. Der Antriebsstrang 10 umfasst eine nachgiebige Welle 3, zwei Drehzahlsensoren, nämlich einen ersten Drehzahlsensor 4 und einen zweiten Drehzahlsensor 5, eine Recheneinheit 6, ein verstellbares Dämpfungselement 7 und ein optionales Getriebe 9. Die Drehzahlsensoren 4, 5 erfassen die Drehzahl über mit der Welle 3 drehfest verbundene Geberringe 4b, 5b. Die Geberringe sind vorliegend als Inkrementenräder ausgebildet. An einem antriebsseitigen Ende 1 des Antriebsstrangs 10 kann mittels einer nicht dargestellten Antriebsmaschine ein Eingangsdrehmoment in den Antriebsstrang eingeleitet werden. Die Welle 3 ist dazu eingerichtet, das Eingangsdrehmoment an ein lastseitiges Ende 2 des Antriebsstrangs 10 zu führen.
Die Messsignale der zwei Sensoren 4, 5 werden über eine geeignete Übertragungsstrecke in Form einer funkbasierten Übertragungsstrecke 4a bzw. 5a an die Recheneinheit 6 übertragen. Selbstverständlich könnte auch eine drahtgebundene Funkstrecke verwendet werden. Die Recheneinheit 6 wertet die empfangenen Messsignale aus und steuert über eine geeignete Übertragungsstrecke 6a das verstellbare Dämpfungselement 7 an. Das Dämpfungselement 7 ist in einer Kuppeleinheit 11 integriert, welche zwei Abschnitte, nämlich einen Abschnitt 3a und einen Abschnitt 3b der Welle 3 miteinander verbindet. Die Kuppeleinheit 11 umfasst zwei Flansche 11a, 11b, wobei ein jeder Flansch drehfest mit einem Wellenabschnitt 3a, 3b drehfest verbunden ist, die die beiden Abschnitte 3a, 3b der Welle 3 lösbar miteinander verbinden. Die Abschnitte 3a und 3b könnten auch als separate Wellen bezeichnet werden, die mittels des Kupplungselements 11 verbunden werden.
Die beiden Drehzahlsensoren 4, 5 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 axial zwischen dem lastseitigen Ende 2 und dem Dämpfungselement 7 angeordnet. Die Drehmomentmessung ist jedoch grundsätzlich vor, hinter und über dem Kupplungselement/Torsionsdämpfungselement möglich.
So zeigt 2 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine axiale Positionierung des Dämpfungselements 7 zwischen dem ersten Sensorelement 4 und dem zweiten Sensorelement 5, so dass die Messung des Drehmoments sowohl vor, also mittels dem zweiten Sensors 5, als auch hinter, also mittels dem ersten Sensor 4, dem verstellbaren Dämpfungselement 7 erfolgt. Der Sensor 4 ist demnach lastseitig angeordnet, während der Sensor 5 antriebsseitig angeordnet ist. Über die Funkstrecke 5a wird das vor dem Dämpfungselement 7 erfasste Messsignal, über die Funkstrecke 4a wird das hinter dem Dämpfungselement 7 erfasste Messsignal an die Recheneinheit 6 übermittelt. In dieser Ausführungsform sind die Sensoren 4, 5 als magnetoelastische Sensoren ausgebildet. Es können jedoch aber auch Drehzahlsensoren zur Erfassung des Differenzdrehwinkels genutzt werden. In diesem Fall, also wenn das verstellbare Dämpfungselement sich in der Messstrecke befindet, ist in der Recheneinheit zusätzlich zur Steifigkeit das Dämpferkennfeld für alle einstellbaren Dämpfungsgrade hinterlegt, um in Abhängigkeit der Differenzdrehwinkelgeschwindigkeit den Beitrag zur Dämpfung zum wirkenden Drehmoment zu berücksichtigen. Das über das Kupplungselement 11 übertragene Drehmoment ergibt sich dann aus Steifigkeit und Differenzdrehwinkel, Dämpfung und Differenzdrehwinkelgeschwindigkeit und aus der Trägheit und Differenzdrehwinkelbeschleunigung.
Die formelmäßige Beziehung lautet wie folgt: $M (t) = θ \cdot \ddot{φ} + d_{v a r} \cdot \dot{φ} + c_{v a r} \cdot φ$
Mit:

Massenträgheit θ, verstellbarem Dämpfungsgrad d_var, Steifigkeit c (optional: c_var), Drehmoment M, Drehzahl ω(t) = φ̇, Drehwinkel φ, Drehbeschleunigung φ̈ = ω̇.

Das Ziel der Regelung besteht darin, d_var (entspricht d_var) den Ausdruck $QMW [M (t) - QMW (M (t)]$
minimal werden zu lassen, wobei QMW das quadratisches Mittel ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeigt 3, in welcher der Antriebsstrang 10 gezeigt ist, mit einem Getriebe 9 mit zwei Sensoren 4, 5 und zwei in Reihe (seriell) geschaltete Dämpfungselementen, nämlich dem ersten Dämpfungselement 7 und einem zweiten Dämpfungselement 8. In Reihe geschaltet bedeutet, dass die Dämpfungselemente bezogen auf den Leistungsfluss im Antriebsstrang nacheinander angeordnet sind. Das zweite Dämpfungselement 8 ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Getriebe 9 mit einer Übersetzung i dasjenige Bauteil ist, dessen Torsionssteifigkeit gemessen werden soll, so dass ein Dämpfungselement, in diesem Fall das erste Dämpfungselement 7 zur Erfassung der Ausgangsdrehzahl der Ausgangswelle 9a des Getriebes 9 angeordnet ist und das andere Dämpfungselement, in diesem Fall das zweite Dämpfungselement 8 zur Erfassung der Eingangsdrehzahl der Eingangswelle 9b des Getriebes 9 angeordnet ist. Für die Drehmomentmessung eignet sich besonders das Prinzip mit zwei Drehzahlsensoren. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 erfasst der erste Sensor die Drehzahl der Ausgangswelle
Die Dämpfungselemente 7, 8 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel erneut als Kupplungselemente 11 mit verstellbarer Dämpfung ausgeführt, wobei das Kupplungselement 11 die Ausgangswelle 9a mit einem Wellenabschnitt 9d, der zum lastseitigen Ende 2 führt, und das Kupplungselement 12 die Eingangswelle 9b mit einem Wellenabschnitt 9c, der zum antriebsseitigen Ende 1 des Antriebsstrangs führt, verbindet.
Ausgehend von dem antriebsseitigen Ende 1 sind die Bauteile in folgender axialen Reihung angeordnet: zweites Dämpfungselement 8, zweiter Sensor 5, Getriebe 9, erster Sensor 4, erstes Dämpfungselement 7 und lastseitiges Ende 2.
Die mittels der Sensoren 4, 5 erfassten Messwerte werden über Funkstrecken 4a, 5a an die Recheneinheit 6 übermittelt. Diese wertet die Messwerte aus und steuert und regelt dann über eine Funkstrecke 6a das erste Dämpfungselement und über eine Funkstrecke 6b das zweite Dämpfungselement 8 zur Dämpfung und Veränderung der Torsionssteifigkeit an. So können bspw. beide Dämpfungselemente gleichzeitig angesteuert werden. Es kann aber sein, dass nur eines der beiden Dämpfungselemente angesteuert wird, wenn dies nach dem Rechenalgorithmus vorteilhafter ist. Auch in dieser bevorzugten Ausführungsform können drahtgebundene Übertragungsstrecken anstelle der Funkstrecken verwendet werden.
4 und 5 zeigen Ausschnitte eines der vorstehenden Antriebsstränge mit einer aufgelösten Kuppeleinheit.
Es wird gezeigt, dass die Messstelle(n) die im Antriebsstrang wirkenden mechanischen Elemente, nämlich

- Trägheiten: Masse m, Trägheitsmoment Θ;
- Steifigkeiten: c; und
- Dämpfungen: d, dazu zählen auch die Bauteile des Kupplungselements,

3

Bei Drehwinkelsensoren oder Drehzahlsensoren wird von 2 Messstellen ausgegangen, um die Differenz bilden zu können. 4a zeigt zwei Messstellen für ein aufgelöstes Kupplungselement. 5 zeigt eine Messstelle und optional alternative oder zusätzliche Messstellen A, B, C, D, E, F.
Zur Erfassung der Drehwinkeldifferenz eignen sich auch beliebige Weg messende Prinzipien, die tangential bzw. entlang dem elastischen Element angeordnet sind.
6 bis 8 zeigen verschiedene Dämpfungselemente zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Für die Ansteuerung der verstellbaren Dämpfungselemente ist eine Frequenzauswertung des Drehmomentsignals vorgesehen (FFT über kurzes Zeitintervall), um die Art der Anregung (lastseitig, bspw. durch Propeller oder Luftschraube) oder antriebsseitig (bspw. Drehungleichförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine) identifizieren zu können und an der richtigen Stelle zu dämpfen.
Die Verstellung der Dämpfung im Dämpfungselement erfolgt bei der Scherung eines hydraulischen Mediums durch ERF, MRF oder bei Durchströmung einer Drossel durch hydraulische Ventile.
Zu 6. Die Kuppeleinheit 11 weist zwei Flansche 11a und 11b auf. Beide Flansche 11a, 11b weisen zueinander gerichtete Seiten 71, 72 auf. Am Flansch 11a, 11b sind auf der Seite 71, 72 dünne zylindrische Rippen vorgesehen, die mäanderförmig ineinandergreifen, ohne den gegenüberliegenden Flansch zu berühren.
Nach radial innen und außen bilden die Rippen über eine isolierende Dichtung einen geschlossenen Raum 75, der mit einem elektro-rheologischen Fluid (ERF) gefüllt ist. Die zylindrischen Rippen bilden einen Kondensator mit dem ERF als Dielektrikum. Durch Anlegen einer Spannung U bildet sich ein elektrisches Feld, wodurch sich die Partikel des ERF ausrichten und die Scherrate ändern. Die Änderung der Scherrate des zähflüssigem ERF bewirkt eine verstellbare Dämpfung im Kupplungselement.
In 7 ist eine einstellbare Wirbelstrombremse dargestellt. Die Spule erzeugt in Abhängigkeit der Stromquelle ein Magnetfeld und diese in Abhängigkeit der Feldstärke und Rotationsgeschwindigkeit ein dämpfendes Drehmoment.
Des Weiteren kann zwischen den beiden Wellen oder Wellenabschnitten oder am Flansch der Kuppeleinheit ein hydraulischer Arbeitskolben mit zwei Arbeitsräumen gebildet werden. Bei Verdrehung der Kuppeleinheit wird das Fluid durch eine Drossel in einen anderen Arbeitsraum gefördert. Die Dämpfung wird durch ein verstellbares Ventil oder ein magneto-rhelogisches Fluid (MRF), welches durch ein Magnetfeld beeinflusst wird, verändert.
8 zeigt mögliche Ausführungsformen, einen hydraulischen Dämpfer in einer elastischen Kuppeleinheit zu integrieren. Die Arbeitsräume der Dämpfer sind so dimensioniert, dass der Winkelbereich der elastischen Kuppeleinheit abgedeckt werden kann.
In Bild a) und b) der 8 wird zwischen den Flanschen eine aus Zweimassenschwungrädern bekannten Planetenstufe ausgebildet und die Planetenräder zum Betätigen des Dämpfers (Rotationsdämpfer oder linearer Dämpfer) genutzt. Bilder c zeigen einen tangential angeordneten, linearen Kolbendämpfer.
9 zeigt die Verwendung des von einer Wellenturbine 22 antreibbaren erfindungsgemäßen Antriebstrangs 10 zum Antrieb eines Rotors 21 in einem Hubschrauber 20. 10 zeigt die Verwendung des von einem Hydraulikmotor 32 erfindungsgemäßen Antriebstrangs 10 für eine Vorderkantenklappe 31 in einem Flugzeug 30.
Bezugszeichenliste

1: antriebsseitiges Ende
2: lastseitiges Ende
3: Welle, nachgiebig
3a, b: Wellenabschnitt
4: erster Sensor, Sensorelement
4a: Übertragungsstrecke, Funkstrecke, drahtgebunden
5: zweiter Sensor, Sensorelement
5a: Übertragungsstrecke, Funkstrecke, drahtgebunden
6: Recheneinheit, Regler, ECU
6a: Übertragungsstrecke, Funkstrecke, drahtgebunden
6b: Übertragungsstrecke, Funkstrecke, drahtgebunden
7: erstes Dämpfungselement
8: zweites Dämpfungselement
9: Getriebe
9a: Ausgangswelle
9b: Eingangswelle
9c: Wellenabschnitt
9d: Wellenabschnitt
10: Antriebsstrang
11: erste Kuppeleinheit, Kupplungselement
12: zweite Kuppeleinheit, Kupplungselement
20: Hubschrauber
21: Rotor
22: Wellenturbine
30: Flugzeug
31: Vorderkantenklappe
32: Hydraulikmotor
c/c_var: Steifigkeit [N*mm*mm]
d/d_var: Dämpfung [kg/s], verstellbarer Dämpfungsgrad
m: Masse [kg]
Θ: Trägheitsmoment [kg*m*m], Massenträgheit
<p: Drehwinkel [°]
ω(t) = φ̇: Drehzahl [°/s]
φ̈ = ω̇: Drehbeschleunigung [°/s²]

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2003089822 A [0006, 0007]
DE 102007055336 A1 [0007]
GB 729696 A [0008]
US 6290620 B [0008]

Claims

Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem Drehmoment führenden Bauteil 3, 9), dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung von zumindest einem Sensor (4, 5) ein auf das Bauteil (3, 9) wirkendes Torsionsmoment ermittelt wird und das ermittelte Torsionsmoment zur Regelung zumindest eines im oder am drehmomentführenden Bauteil (3, 9) des Antriebsstrangs (10) angeordneten verstellbaren Dämpfungselements (7, 8) und/oder zur Regelung einer Torsionssteifigkeit des drehmomentführenden Bauteils (3, 9) zur Reduzierung der Torsionsbelastung im Bauteil (3, 9) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Torsionsmoment unter Verwendung - eines magnetoelastischen oder magnetoresistiven Sensors, - eines Drehwinkelsensors, oder - eines akustischen Sensors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Torsionsmoment unter Verwendung von einem ersten (4) und einem zweiten Sensorelement (5) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Torsionsmoment unter Verwendung eines auf einer Antriebsstrangkomponente, wie insbesondere Getriebe (9), Welle (3) oder Lagerung angeordneten Sensorelements ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Torsionsmoment unter Verwendung eines in eine Antriebstrangkomponente integrierte Sensorelements (4, 5) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ermittelte Torsionsmoment zur Regelung von zwei verstellbaren Dämpfungselementen (7, 8) zur Reduzierung der Torsionsbelastung im Bauteil (3, 9) verwendet wird.
Antriebsstrang (10) eines Luftfahrzeugs mit einem Bauteil (3, 9) das ausgebildet ist, ein Drehmoment zu führen, gekennzeichnet durch - zumindest ein Sensorelement (4, 5), das ausgebildet ist, ein auf das Bauteil (3, 9) wirkendes Torsionsmoment zu ermitteln; - zumindest ein verstellbares Dämpfungselement (7, 8), das ausgebildet ist, eine Torsionsbelastung im Bauteil zu reduzieren, insbesondere den Dämpfungsgrad des Bauteils zu verstellen; und - eine Steuer- und Regeleinheit (6), die ausgebildet ist, das ermittelte Torsionsmoment auszuwerten und mittels des ausgewerteten Torsionsmoments das verstellbare Dämpfungselement (7, 8) anzusteuern.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei das Dämpfungselement (7, 8) in einer Kuppeleinheit (11, 12) integriert ist, welche zwei Abschnitte (3a, 3b,; 9a, 9d; 9b, 9c) des drehmomentführenden Bauteils (3, 9) miteinander verbindet.
Antriebsstrang nach Anspruch 7 oder 8, wobei zwei Sensorelemente (4, 5) zur Ermittlung des Torsionsmoments vorgesehen sind.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zwei entweder seriell oder parallel geschaltete Dämpfungselemente (7, 8) zur Reduzierung der Torsionsbelastung vorgesehen sind.
Vorrichtung, insbesondere Regeleinrichtung eines Luftfahrzeugs, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.
Verwendung des Verfahrens der Ansprüche 1 bis 6 in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Hubschrauber oder Flugzeug.
Luftfahrzeug, insbesondere Hubschrauber oder Flugzeug mit einem Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 7 bis 10 und einer Vorrichtung nach Anspruch 11.