EP3635274A1 - Method for damping torsional vibrations in a drive train, and drive train - Google Patents

Method for damping torsional vibrations in a drive train, and drive train

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Publication number
EP3635274A1
EP3635274A1 EP19724110.2A EP19724110A EP3635274A1 EP 3635274 A1 EP3635274 A1 EP 3635274A1 EP 19724110 A EP19724110 A EP 19724110A EP 3635274 A1 EP3635274 A1 EP 3635274A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive train
component
torsional
torque
sensor
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.)
Withdrawn
Application number
EP19724110.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel Wolf
Jörg LITZBA
Johannes Schäfer
Georg TENCKHOFF
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3635274A1 publication Critical patent/EP3635274A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16F15/002Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion characterised by the control method or circuitry
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D31/00Power plant control systems; Arrangement of power plant control systems in aircraft
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2300/00Special features for couplings or clutches
    • F16D2300/22Vibration damping
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/10Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F2228/00Functional characteristics, e.g. variability, frequency-dependence
    • F16F2228/06Stiffness
    • F16F2228/066Variable stiffness
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2232/00Nature of movement
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2236/00Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements
    • F16F2236/08Torsion

Definitions

  • the invention relates to a method for damping torsional vibrations in a drive train of an aircraft with a torque-conducting component, the invention further relates to a drive train and an apparatus for carrying out the method.
  • the drive train of an aircraft fulfills the task of a mechanical connection between a drive and a forward or buoyancy (propeller, propeller, fan of a turbine) or an actuator (such as landing flap, tail, chassis) over which is transmitted by a rotary motion energy.
  • Torsional vibrations are vibrations of a torque-conducting component.
  • torsional vibrations can occur if, for example, rotating masses are coupled to one another by means of components carrying torque.
  • Torsional vibrations are widespread in the powertrain of aircraft and are often troublesome or even dangerous when the engine is running at a torsionally critical speed and the vibration is amplified by resonance. A damping of these torsional vibrations is often not possible in extended systems by mechanical means.
  • US2003089822A describes an internal combustion engine for an aircraft.
  • the internal combustion engine includes a crankshaft defining first and second ends, a propeller and a transmission disposed between the first end of the crankshaft and the propeller and operatively connecting the propeller to the crankshaft.
  • a torsion bar is disposed between the first end of the crankshaft and the transmission and operatively connects the crankshaft to the transmission.
  • a torsional vibration damper is operatively connected to one of the first and second ends of the crankshaft.
  • torsional vibration dampers in drive shafts of aircraft are known from DE102007055336A1 and US2003089822A.
  • the object of the present invention is to provide a method which further reduces the torsional vibrations and an apparatus for carrying out this method.
  • the invention is therefore based on a method for damping torsional vibrations in a drive train of an aircraft with a torque-conducting component.
  • a torsional moment acting on the component is now determined using at least one sensor, and the determined torsional moment for controlling at least one adjustable damping element arranged in or on the torque-guiding component of the drive train and for controlling a torsional rigidity of the torque-carrying component to reduce the gate - sion load in the component and thus used in the drive train.
  • a torque-conducting component is, in particular, a body which is rotatably mounted about one of its axes, in particular a solid body, such as, for example, a shaft.
  • a torque-conducting component may also be in the form of a transmission which serves to translate the speed and torque applied to the drive to values corresponding to the forward or buoyancy range of the actuator.
  • the torsional moment to be damped or compensated is determined more accurately and fed directly to a computer unit (ECU), for example a controller, whereby, for example, a higher accuracy than speed-based damping methods is achieved.
  • ECU computer unit
  • the regulator in turn regulates the variable or adjustable damping element, ie changes the damping rate or the degree of damping and / or regulates the torsional stiffness of the torque-conducting component, which can mean an increase or decrease in the torsional rigidity, as the case may be.
  • a frequency evaluation of the torsional or torque signal is provided, such as a Fast Fourier Transformation (FFT) over a short time interval to identify the type of excitation (load side or drive side) can and in the right place to dampen.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • Torsional rigidity or torsional stiffness describes the resistance of a body to elastic deformation by a moment.
  • a damping element is to be understood as an element or structural unit which converts mechanical (vibration) energy into heat energy or another energy form and thus extracts it from the vibration system (dissipation).
  • the method is preferred if the torsional moment is determined using two sensor elements, namely a first and a second sensor element.
  • the first and second sensor elements are provided for detecting at least one rotational angle and / or one rotational speed in each case. therefore the two sensor elements are designed as rotational angle sensors or rotational speed sensors.
  • a differential angle is measured in the torque-conducting component of the drive train by means of the two sensor elements.
  • the deformation in the torque-guiding component can be detected between the two sensor elements when the load is introduced.
  • a phase shift between the first and second sensor element is detected.
  • a torsion in the torque-conducting component can be measured.
  • the torsion in the torque-conducting component is essentially dependent on the softness of the component and the amount of torque introduced. Consequently, an angle difference of the two measured angles of rotation can be concluded on the torsional load of the component, from which a torque load of the component can be determined. Furthermore, the speed or the number of revolutions can also be generated from the sensor signals.
  • the time derivative of the angle of rotation as a function of the selected sensor element corresponds to a rotational angular velocity.
  • rotation angle sensors can perform an absolute, magnetically coded angle measurement.
  • magnetic sensor elements in combination with the toothed wheels present in a gear arrangement, this representing a cost-effective and robust measuring variant.
  • Other sensor elements for angular or rotational angular velocity measurement may also be used.
  • a method is preferred in which the torsional moment is determined using a single sensor element.
  • an absolute difference that is to say the difference between two absolute values, is not determined, but rather a relative difference.
  • magnetoelastic or magnetoresistive sensors an acoustic sensor or a rotation angle sensor can be used, which are designed to directly measure a twist of the component to be measured.
  • the components to be measured are magnetized. The sensor detects a change in the magnetic field when a change in mechanical properties occurs, such as by shear stress.
  • a magnetoelastic or magnetoresistive sensor and a rotation angle sensor can also be achieved by an acoustic sensor, such as an airborne sound sensor or a structure-borne sound sensor.
  • an acoustic sensor such as an airborne sound sensor or a structure-borne sound sensor.
  • This can be arranged on the drive train, for example in a gearbox or at a bearing point, in such a way that the frequencies of two elements arranged in the drive train are detected.
  • powertrain elements are elements that generate a correlated by the speed or load frequency, for example, bearings and gears. From the phase shift of the frequencies or frequency patterns of the two elements and the known stiffness between these elements, the torque or loads acting in the drive train (bending) are calculated.
  • magnetoelastic or magnetoresistive sensors and acoustic sensors are also preferably used to determine the torsional moment by means of two sensor elements.
  • the sensor elements are either arranged externally on a drive train component, such as, for example, gearbox, shaft, bearing, etc., or integrated in this.
  • a drive train component such as, for example, gearbox, shaft, bearing, etc.
  • integrated means that the sensor element in the drive train uses existing components for the measurement (eg gearwheel as incremental encoder) or for mounting (housing).
  • a method is preferred if the determined torsional moment is used to control two adjustable damping elements for reducing the torsional load in the component.
  • Two damping elements have the advantage that more targeted attenuations can be made, especially with long waves or in a transmission.
  • a damping element is arranged on the input shaft and another damping element on the output shaft of a gear arranged in the drive train.
  • Another aspect of the invention is to provide a powertrain, namely a drivetrain of an aircraft with a component which is designed to carry a torque and has a drive-side end and a load-side end.
  • the drive train comprises at least one sensor element which is designed to determine a torsional moment acting on the component.
  • the drive train further includes an adjustable damping element which is designed to reduce a torsional load in the component, in particular to adjust the degree of damping of the component and to change a torsional rigidity of the component.
  • the drive train further comprises a control and regulating unit, which is designed to evaluate the determined torsional moment and to control the adjustable damping element by means of the torsional moment.
  • the advantage of the powertrain is, in particular, that it can absorb high peak loads with the aid of the adaptive damping element and that it can be designed to be lighter in weight.
  • the damping element is integrated in a coupling unit or in a coupling element which connects two sections of the torque-conducting component with each other.
  • FIG. 1 shows a section of a drive train in a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a detail of a drive train in a third preferred embodiment
  • FIG. 5 shows a section of a drive train of a preferred embodiment with a sensor element
  • FIG. 10 shows an aircraft with a drive train according to the invention.
  • the drive train 10 connects a drive and an actuator of a landing flap. It should be noted at this point that the drive train, for example, can also be provided in a helicopter, where it can produce a mechanical connection between a drive and an airscrew or a propeller.
  • the drive train 10 includes a compliant shaft 3, two speed sensors, namely a first speed sensor 4 and a second speed sensor 5, a computing unit 6, an adjustable damping element 7 and an optional gearbox 9.
  • the speed sensors 4, 5 detect the speed over with Shaft 3 rotatably connected encoder rings 4b, 5b.
  • the encoder rings are in the present case designed as incremental wheels.
  • An input torque can be introduced into the drive train at a drive-side end 1 of the drive train 10 by means of a drive machine (not shown).
  • the shaft 3 is configured to guide the input torque to a load-side end 2 of the drive train 10.
  • the measuring signals of the two sensors 4, 5 are transmitted to the computing unit 6 via a suitable transmission path in the form of a radio-based transmission path 4a or 5a.
  • a wired radio link could also be used.
  • the arithmetic unit 6 evaluates the received measurement signals and controls the adjustable attenuation element 7 via a suitable transmission path 6a.
  • the damping element 7 is integrated in a coupling unit 11 which connects two sections, namely a section 3a and a section 3b of the shaft 3 with each other.
  • the dome unit 11 comprises two flanges 11a,
  • each flange rotatably connected to a shaft portion 3a, 3b rotatably connected the two sections 3a, 3b of the shaft 3 releasably connect with each other.
  • the sections 3a and 3b could also be referred to as separate shafts, which are connected by means of the coupling element 11.
  • the two speed sensors 4, 5 are arranged axially between the load-side end 2 and the damping element 7 according to the embodiment of FIG. 1.
  • the torque measurement is basically before, behind and above the coupling element / Torsionsdämpfungselement possible.
  • FIG. 2 shows an axial positioning of the damping element 7 between the first sensor element 4 and the second sensor element 5, so that the measurement of the torque occurs both before, that is, by means of the second sensor 5, and behind , So by means of the first sensor 4, the adjustable damping element 7 takes place.
  • the sensor 4 is therefore arranged on the load side, while the sensor 5 is arranged on the drive side.
  • the measured signal detected in front of the damping element 7 is detected via the radio link 5 a, and this is detected behind the attenuation element 7 via the radio link 4 a Measuring signal to the arithmetic unit 6 transmitted.
  • the sensors 4, 5 are designed as magnetoelastic sensors.
  • d var corresponds to d_var
  • QMW root mean square
  • FIG. 3 A further preferred embodiment is shown in FIG. 3, in which the drive train 10 is shown, with a transmission 9 with two sensors 4, 5 and two damping elements connected in series (series), namely the first damping element 7 and a second damping element 8. Connected in series means that the damping elements are arranged one after the other in relation to the power flow in the drive train.
  • the second damping element 8 is particularly advantageous if the transmission 9 with a ratio i that component whose torsional stiffness is to be measured, so that a damping element, in this case, the first damping element 7 for detecting the output speed of the output shaft 9a of the transmission 9 is arranged and the other damping element, in In this case, the second damping element 8 for detecting the input speed of the input shaft 9b of the transmission 9 is arranged.
  • the principle with two speed sensors is particularly suitable. According to the exemplary embodiment according to FIG. 3, the first sensor detects the rotational speed of the output shaft
  • the damping elements 7, 8 are designed according to this embodiment again as coupling elements 11 with adjustable damping, wherein the coupling element 11, the output shaft 9a with a shaft portion 9d leading to the load-side end 2, and the coupling element 12, the input shaft 9b with a Shaft section 9 c, which leads to the drive-side end 1 of the drive train, connects.
  • second damping element 8 the components are arranged in the following axial sequence: second damping element 8, second sensor 5, transmission 9, first sensor 4, first damping element 7 and load-side end 2.
  • the measured values recorded by means of the sensors 4, 5 are transmitted to the arithmetic unit 6 via radio links 4a, 5a.
  • both damping elements can be controlled simultaneously.
  • wired transmission links can be used instead of the radio links.
  • d which also includes the components of the coupling element, at any point "cut” or can decouple.
  • the order of the acting elements can be varied or distributed in the drive train, for example in the form of a series connection (see FIG. 3) or in the form of a parallel circuit (not shown).
  • a parallel connection a plurality of elements can be arranged in the coupling unit or the torque is distributed, for example, to different, parallel power branches.
  • Fig. 4a shows two measuring points for a dissolved coupling element.
  • Fig. 5 shows a measuring point and optionally alternative or additional measuring points A, B, C, D, E, F.
  • any way measuring principles are suitable, which are arranged tangentially or along the elastic member.
  • FIGS. 6 to 8 show various damping elements for use in the drive train according to the invention.
  • a frequency evaluation of the torque signal is provided (FFT over a short time interval) in order to be able to identify the type of excitation (on the load side, for example by propeller or propeller screw) or on the drive side (for example rotational nonuniformity of the internal combustion engine) and damp in place.
  • the adjustment of the damping in the damping element takes place in the shear of a hydraulic medium by ERF, MRF or flow through a throttle by hydraulic valves.
  • the dome unit 1 1 has two flanges 1 1 a and 1 1 b. Both flanges 11a, 1b have mutually facing sides 71, 72. On the flange 11 a, 1 1 b On page 71, 72 thin cylindrical ribs are provided which mesh meander-shaped, without touching the opposite flange.
  • the ribs form an enclosed space 75, filled with an electro-rheological fluid (ERF), via an insulating seal.
  • ERF electro-rheological fluid
  • the cylindrical ribs form a capacitor with the ERF as a dielectric.
  • Fig. 7 an adjustable eddy current brake is shown.
  • the coil generates a magnetic field as a function of the current source and this, depending on the field strength and rotational speed, a damping torque.
  • a hydraulic working piston with two working spaces can be formed between the two shafts or shaft sections or on the flange of the coupling unit.
  • the fluid is conveyed through a throttle in another working space.
  • the damping is changed by an adjustable valve or a magneto-rheological fluid (MRF), which is influenced by a magnetic field.
  • MRF magneto-rheological fluid
  • Fig. 8 shows possible embodiments to integrate a hydraulic damper in an elastic dome unit.
  • the work spaces of the dampers are so dimensioned that the angular range of the elastic coupling unit can be covered.
  • FIG. 9 shows the use of the drive train 10 according to the invention, which can be driven by a shaft turbine 22, for driving a rotor 21 in a helicopter 20.
  • 10 shows the use of the drive train 10 according to the invention for a leading edge flap 31 in an aircraft 30 according to the invention by a hydraulic motor 32.

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Abstract

The invention relates to a method for damping torsional vibrations in a drive train of an aircraft having a torque-transferring component, characterised in that with the use of at least one sensor, a torsional moment acting on the component is determined and the determined torsional moment is used to control at least one adjustable damping element arranged in or on the torque-transferring component of the drive train and/or to control a torsional rigidity of the torque-transferring component to reduce the torsional load in the component.

Description

Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwinqunqen in einem Antriebsstranq und Antriebsstranq  Method for damping torsional vibrations in a drive train and drive train
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in ei- nem Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem drehmomentführenden Bauteil, die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang sowie eine Vorrichtung zur Durch- führung des Verfahrens. The invention relates to a method for damping torsional vibrations in a drive train of an aircraft with a torque-conducting component, the invention further relates to a drive train and an apparatus for carrying out the method.
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 ei- nem Stellantrieb (wie beispielsweise Landeklappe, Leitwerk, Fahrwerk) herzustellen, über welche durch eine Drehbewegung Energie übertragen wird. The drive train of an aircraft, such as helicopter or aircraft, fulfills the task of a mechanical connection between a drive and a forward or buoyancy (propeller, propeller, fan of a turbine) or an actuator (such as landing flap, tail, chassis) over which is transmitted by a rotary motion energy.
In Antriebssträngen von Luftfahrzeugen spielen dynamische Vorgänge wie Torsions- schwingungen eine wesentliche Rolle. Torsionsschwingungen sind Schwingungen eines drehmomentführenden Bauteils. Insbesondere bei einem Wellenmassensys- tem mit großen Massenträgheitsmomenten und ausgedehnten Wellen, wie insbeson- dere in Antriebssträngen oder Antriebsanordnungen in Luftfahrzeugen, können Torsi- onsschwingungen entstehen, wenn beispielsweise rotierende Massen mittels dreh- momentführender Bauteile miteinander gekoppelt werden. In drive trains of aircraft, dynamic processes such as torsional vibrations play an important role. Torsional vibrations are vibrations of a torque-conducting component. In particular, in the case of a wave mass system with high mass moments of inertia and extended waves, in particular in drive trains or drive arrangements in aircraft, torsional vibrations can occur if, for example, rotating masses are coupled to one another by means of components carrying torque.
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. Torsional vibrations are widespread in the powertrain of aircraft and are often troublesome or even dangerous when the engine is running at a torsionally critical speed and the vibration is amplified by resonance. A damping of these torsional vibrations is often not possible in extended systems by mechanical means.
Aus dem Stand der Technik ist grundsätzlich bekannt, die Torsionsschwingungen in Luftfahrtantriebssträngen mittels Torsionsdämpfern oder Torsionsschwingungsdämp- fern 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 Kur- belwelle und dem Propeller angeordnet ist und den Propeller wirksam mit der Kurbel- welle 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. It is generally known from the prior art to reduce the torsional vibrations in aviation drive trains by means of torsion dampers or torsional vibration dampers. US2003089822A describes an internal combustion engine for an aircraft. The internal combustion engine includes a crankshaft defining first and second ends, a propeller and a transmission disposed between the first end of the crankshaft and the propeller and operatively connecting the propeller to the crankshaft. A torsion bar is disposed between the first end of the crankshaft and the transmission and operatively connects the crankshaft to the transmission. A torsional vibration damper is operatively connected to one of the first and second ends of the crankshaft.
Aus der DE102007055336A1 und US2003089822A sind beispielsweise Torsions- schwingungsdämpfer in Antriebswellen von Luftfahrtzeugen bekannt. For example, torsional vibration dampers in drive shafts of aircraft are known from DE102007055336A1 and US2003089822A.
Aus der GB729696A und US6290620B sind beispielsweise Torsionsdämpfer für Stellantriebe in Luftfahrzeugen bekannt. From GB729696A and US6290620B, for example torsion damper for actuators in aircraft are known.
Als nachteilig ist anzusehen, dass die Ermittlung der Schwingungen des Torsionsmo- ments oft zu ungenau ist, so dass auch die Güte der Ausgleichsvorgänge begrenzt ist. It is to be regarded as disadvantageous that the determination of the vibrations of the torsion moment is often too inaccurate, so that also the quality of the compensation processes is limited.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren bereitzustellen, das die Torsionsschwingungen noch weiter reduziert und eine Vorrichtung zum Aus- führen dieses Verfahrens. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Antriebsstrang mit geringen Torsionsschwingungen bereitzustellen. The object of the present invention is to provide a method which further reduces the torsional vibrations and an apparatus for carrying out this method. In addition, it is an object of the present invention to provide a drive train with low torsional vibrations.
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. This object is solved by the features of claim 1. The invention is also solved by the features of claim 7, in addition, the invention is solved by the features of claim 12.
Die Erfindung geht demnach aus von einem Verfahren zur Dämpfung von Torsions- schwingungen in einem Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem drehmoment- führenden 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 An- triebsstrangs angeordneten verstellbaren Dämpfungselements und zur Regelung ei- ner Torsionssteifigkeit des drehmomentführenden Bauteils zur Reduzierung der Tor- sionsbelastung im Bauteil und damit im Antriebsstrang verwendet. The invention is therefore based on a method for damping torsional vibrations in a drive train of an aircraft with a torque-conducting component. According to the invention, a torsional moment acting on the component is now determined using at least one sensor, and the determined torsional moment for controlling at least one adjustable damping element arranged in or on the torque-guiding component of the drive train and for controlling a torsional rigidity of the torque-carrying component to reduce the gate - sion load in the component and thus used in the drive train.
Ein drehmomentführendes Bauteil ist insbesondere ein um eine seiner Achsen dreh- bar gelagerter, insbesondere fester Körper, wie bspw. eine Welle. Ein drehmoment- führendes 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. A torque-conducting component is, in particular, a body which is rotatably mounted about one of its axes, in particular a solid body, such as, for example, a shaft. However, a torque-conducting component may also be in the form of a transmission which serves to translate the speed and torque applied to the drive to values corresponding to the forward or buoyancy range of the actuator.
Zunächst wird das zu dämpfende bzw. auszuregelnde Torsionsmoment genauer er- mittelt und direkt einer Recheneinheit (ECU), beispielsweise Regler, zugeführt, wodurch beispielsweise eine höhere Genauigkeit gegenüber drehzahlbasierten Dämpfungsverfahren erreicht wird. First of all, the torsional moment to be damped or compensated is determined more accurately and fed directly to a computer unit (ECU), for example a controller, whereby, for example, a higher accuracy than speed-based damping methods is achieved.
Der Regler wiederum regelt das veränderbare oder verstellbare Dämpfungselement, verändert also die Dämpfungsrate oder den Dämpfungsgrad und/oder regelt die Tor- sionssteifigkeit 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-Fou- rier-Transformation (FFT) über ein kurzes Zeitintervall, um die Art der Anregung (last- seitig oder antriebsseitig) identifizieren zu können und an der richtigen Stelle zu dämpfen. Andere bekannte mathematischen Verfahren können ebenfalls benutzt werden. The regulator in turn regulates the variable or adjustable damping element, ie changes the damping rate or the degree of damping and / or regulates the torsional stiffness of the torque-conducting component, which can mean an increase or decrease in the torsional rigidity, as the case may be. For the control of the at least one adjustable damping element, a frequency evaluation of the torsional or torque signal is provided, such as a Fast Fourier Transformation (FFT) over a short time interval to identify the type of excitation (load side or drive side) can and in the right place to dampen. Other known mathematical methods can also be used.
Torsionssteifigkeit oder Verwindungssteifigkeit beschreibt dabei den Widerstand ei- nes 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 Schwin- gungssystem entzieht (Dissipation). Torsional rigidity or torsional stiffness describes the resistance of a body to elastic deformation by a moment. In this context, a damping element is to be understood as an element or structural unit which converts mechanical (vibration) energy into heat energy or another energy form and thus extracts it from the vibration system (dissipation).
Dafür kommen grundsätzlich folgende, dem Fachmann bekannte Mechanismen in Betracht: In principle, the following mechanisms known to those skilled in the art are possible:
- Materialdämpfung auf mikroskopischer Ebene durch innere Reibung bzw.  - Material damping at the microscopic level by internal friction or
Plastizität eines Festkörpers,  Plasticity of a solid,
- Viskosedämpfung durch Scherkräfte auf mikroskopischer Ebene in zähen Flüssigkeiten oder Gasen, und/oder  Viscous damping by shear forces at the microscopic level in viscous liquids or gases, and / or
- Reibungsdämpfung auf makroskopischer Ebene durch Kräfte an der Grenzflä- che zwischen relativ bewegten Reibpartnern.  - Friction damping on the macroscopic level due to forces at the interface between relatively moving friction partners.
Es hat sich herausgestellt, dass mittels der Erfindung ein adaptives oder aktiv ver- stellbares Dämpfungssystem für einen Antriebsstrang für ein Luftfahrzeug bereitge- stellt werden kann. It has been found that by means of the invention an adaptive or actively adjustable damping system for a drive train for an aircraft can be provided.
Durch die Reduktion der Spitzenlast sind insbesondere leichtere Getriebe oder dreh- momentführende 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. By reducing the peak load, in particular lighter transmissions or torque-carrying components are possible. In addition, it has been shown that the load of such adjustable, that is adjustable damping elements can be higher than that in the prior art.
Dies ist insbesondere bei dem aus der Luftfahrt bekannten Lastfall der Fall, bei dem einen Propeller umströmende Luft zum Starten eines ausgefallenen oder ausge- schalteten Motors genutzt wird (Windmilling). Dabei treten besonders hohe Lasten und Lastschwankungen auf, die in der Vergangenheit zu Schäden an konventionel- len Torsionsdämpfern im Antriebsstrang geführt haben. This is the case, in particular, in the load case known from aviation, in which air flowing around a propeller is used to start a failed or switched-off engine (windmilling). Particularly high loads and load fluctuations occur, which in the past have led to damage to conventional torsion dampers in the drive train.
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 zu- mindest 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 Differenzwin- kel im drehmomentführenden Bauteil des Antriebsstrangs gemessen. Mittels der Dif- ferenzwinkelmessung kann bei Lasteinleitung die Verformung im drehmomentführen- den Bauteil zwischen den beiden Sensorelementen erfasst werden. Insbesondere wird eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Sensorelement er- fasst. Dadurch kann eine Torsion im drehmomentführenden Bauteil gemessen wer- den. 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 Torsi- onsbelastung des Bauteils geschlossen werden, wobei daraus eine Drehmomentbe- lastung des Bauteils bestimmt werden kann. Ferner kann auch die Drehzahl oder die Anzahl der Umdrehungen ebenfalls aus den Sensorsignalen erzeugt werden. Bei- spielsweise entspricht die zeitliche Ableitung des Drehwinkels in Abhängigkeit des gewählten Sensorelements einer Drehwinkelgeschwindigkeit. The method is preferred if the torsional moment is determined using two sensor elements, namely a first and a second sensor element. Preferably, the first and second sensor elements are provided for detecting at least one rotational angle and / or one rotational speed in each case. therefore the two sensor elements are designed as rotational angle sensors or rotational speed sensors. In particular, a differential angle is measured in the torque-conducting component of the drive train by means of the two sensor elements. By means of the differential angle measurement, the deformation in the torque-guiding component can be detected between the two sensor elements when the load is introduced. In particular, a phase shift between the first and second sensor element is detected. As a result, a torsion in the torque-conducting component can be measured. The torsion in the torque-conducting component is essentially dependent on the softness of the component and the amount of torque introduced. Consequently, an angle difference of the two measured angles of rotation can be concluded on the torsional load of the component, from which a torque load of the component can be determined. Furthermore, the speed or the number of revolutions can also be generated from the sensor signals. By way of example, the time derivative of the angle of rotation as a function of the selected sensor element corresponds to a rotational angular velocity.
Drehwinkelsensoren können beispielsweise eine absolute, magnetkodierte Winkel- messung durchführen. Alternativ können auch magnetische Sensorelemente in Kom- bination mit den in einer Getriebeanordnung vorhandenen Zahnrädern genutzt wer- den, wobei dies eine kostengünstige und robuste Messvariante darstellt. Andere Sensorelemente zur Drehwinkel- oder Drehwinkelgeschwindigkeitsmessung können ebenfalls verwendet werden. For example, rotation angle sensors can perform an absolute, magnetically coded angle measurement. Alternatively, it is also possible to use magnetic sensor elements in combination with the toothed wheels present in a gear arrangement, this representing a cost-effective and robust measuring variant. Other sensor elements for angular or rotational angular velocity measurement may also be used.
In einer alternativen Ausführungsform ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem das Torsi- onsmoment 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. In an alternative embodiment, a method is preferred in which the torsional moment is determined using a single sensor element. In this case, as is usual with two sensors, an absolute difference, that is to say the difference between two absolute values, is not determined, but rather a relative difference.
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 messen- den Bauteile magnetisiert. Der Sensor erkennt eine Veränderung des Magnetfelds, wenn eine Änderung der mechanischen Eigenschaften auftritt, wie beispielsweise durch Scherbeanspruchung. For this purpose, preferably magnetoelastic or magnetoresistive sensors, an acoustic sensor or a rotation angle sensor can be used, which are designed to directly measure a twist of the component to be measured. In magnetoelastic or magnetoresistive sensors, the components to be measured are magnetized. The sensor detects a change in the magnetic field when a change in mechanical properties occurs, such as by shear stress.
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 an- geordnet 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 Frequenz- muster der beiden Elemente und der bekannten Steifigkeit zwischen diesen Elemen- ten wird das Drehmoment oder im Antriebsstrang wirkende Lasten (Biegung) berech- net. The function of a magnetoelastic or magnetoresistive sensor and a rotation angle sensor can also be achieved by an acoustic sensor, such as an airborne sound sensor or a structure-borne sound sensor. This can be arranged on the drive train, for example in a gearbox or at a bearing point, in such a way that the frequencies of two elements arranged in the drive train are detected. As powertrain elements are elements that generate a correlated by the speed or load frequency, for example, bearings and gears. From the phase shift of the frequencies or frequency patterns of the two elements and the known stiffness between these elements, the torque or loads acting in the drive train (bending) are calculated.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass insbesondere magnetoelastische oder magnetoresistive Sensoren und akustische Sensoren ebenfalls bevorzugt zu Er- mittlung des Torsionsmoments mittels zweier Sensorelementen verwendet werden. It should be noted at this point that in particular magnetoelastic or magnetoresistive sensors and acoustic sensors are also preferably used to determine the torsional moment by means of two sensor elements.
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 In- krementalgeber) oder zur Befestigung (Gehäuse) nutzt. Moreover, it is preferred if the sensor elements are either arranged externally on a drive train component, such as, for example, gearbox, shaft, bearing, etc., or integrated in this. Integrated means that the sensor element in the drive train uses existing components for the measurement (eg gearwheel as incremental encoder) or for mounting (housing).
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 Ein- gangswelle und ein anderes Dämpfungselement an der Ausgangswelle eines im An- triebsstrang angeordneten Getriebes angeordnet ist. A method is preferred if the determined torsional moment is used to control two adjustable damping elements for reducing the torsional load in the component. Two damping elements have the advantage that more targeted attenuations can be made, especially with long waves or in a transmission. Thus, it is advantageous if a damping element is arranged on the input shaft and another damping element on the output shaft of a gear arranged in the drive train.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist einen Antriebsstrang bereitzustellen, nämlich ei- nen Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem Bauteil, das ausgebildet ist ein Drehmoment zu führen und ein antriebsseitige und ein lastseitiges Ende aufweist.Another aspect of the invention is to provide a powertrain, namely a drivetrain of an aircraft with a component which is designed to carry a torque and has a drive-side end and a load-side end.
Der Antriebsstrang umfasst zumindest ein Sensorelement, das ausgebildet ist ein auf das Bauteil wirkendes Torsionsmoment zu ermitteln. Der Antriebsstrang umfasst fer- ner ein verstellbares Dämpfungselement, das ausgebildet ist eine Torsionsbelastung im Bauteil zu reduzieren, insbesondere den Dämpfungsgrad des Bauteils zu verstel- len und eine Torsionssteifigkeit des Bauteils zu verändern. Der Antriebsstrang um- fasst ferner eine Steuer- und Regelungseinheit, die ausgebildet ist, das ermittelte Torsionsmoment auszuwerten und mittels des Torsionsmoments das verstellbare Dämpfungselement anzusteuern. The drive train comprises at least one sensor element which is designed to determine a torsional moment acting on the component. The drive train further includes an adjustable damping element which is designed to reduce a torsional load in the component, in particular to adjust the degree of damping of the component and to change a torsional rigidity of the component. The drive train further comprises a control and regulating unit, which is designed to evaluate the determined torsional moment and to control the adjustable damping element by means of the torsional moment.
Der Vorteil des Antriebsstrangs liegt insbesondere darin, dass er mit Hilfe des adapti- ven Dämpfungselements hohe Spitzenlasten abfangen kann und vom Gewicht her leichter ausgelegt werden kann. The advantage of the powertrain is, in particular, that it can absorb high peak loads with the aid of the adaptive damping element and that it can be designed to be lighter in weight.
Bevorzugt ist es, wenn das Dämpfungselement in einer Kuppeleinheit oder in einem Kupplungselement integriert ist, welche zwei Abschnitte des drehmomentführenden Bauteils miteinander verbindet. It is preferred if the damping element is integrated in a coupling unit or in a coupling element which connects two sections of the torque-conducting component with each other.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn zwei Sensorelemente zur Ermittlung des Tor- sionsmoments vorgesehen sind. Moreover, it is preferred if two sensor elements are provided for determining the torsional moment.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zwei Dämpfungselemente zur Reduzierung der Tor- sionsbelastung vorgesehen sind. Furthermore, it is preferred if two damping elements are provided to reduce the torion load.
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: According to a further aspect of the invention, it is a device to provide, in particular a control device of an aircraft, which is adapted to carry out the method described above. The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it:
Fig. 1 : einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs in einer bevorzugten Ausfüh- rung der Erfindung, 1 shows a section of a drive train in a preferred embodiment of the invention,
Fig. 2: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs in einer zweiten bevorzugten 2 shows a section of a drive train in a second preferred embodiment
Ausführung der Erfindung,  Embodiment of the invention,
Fig. 3: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs in einer dritten bevorzugten 3 shows a detail of a drive train in a third preferred embodiment
Ausführung der Erfindung,  Embodiment of the invention,
Fig. 4: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs einer bevorzugten Ausführung mit zwei Sensorelementen, 4 shows a detail of a drive train of a preferred embodiment with two sensor elements,
Fig. 5: einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs einer bevorzugten Ausführung mit einem Sensorelement, 5 shows a section of a drive train of a preferred embodiment with a sensor element,
Fig. 6 bis 8: verschiedene Ausführungen eines verstellbaren Dämpfungselements, 6 to 8: various embodiments of an adjustable damping element,
Fig. 9: einen Hubschrauber mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang, 9 shows a helicopter with a drive train according to the invention,
Fig. 10: ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang. 10 shows an aircraft with a drive train according to the invention.
Fig. 1 zeigt einen Antriebsstrang 10 eines als ein Flugzeug ausgebildetes Luftfahr- zeugs. 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 mechani- sche Verbindung zwischen einem Antrieb und einer Luftschraube oder einem Propel- ler hersteilen kann. Der Antriebsstrang 10 umfasst eine nachgiebige Welle 3, zwei Drehzahlsensoren, nämlich einen ersten Drehzahlsensor 4 und einen zweiten Dreh- zahlsensor 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 Antriebs- strangs 10 kann mittels einer nicht dargestellten Antriebsmaschine ein Eingangsdreh- moment in den Antriebsstrang eingeleitet werden. Die Welle 3 ist dazu eingerichtet, das Eingangsdrehmoment an ein lastseitiges Ende 2 des Antriebsstrangs 10 zu füh- ren. 1 shows a drive train 10 of an aircraft designed as an aircraft. The drive train 10 connects a drive and an actuator of a landing flap. It should be noted at this point that the drive train, for example, can also be provided in a helicopter, where it can produce a mechanical connection between a drive and an airscrew or a propeller. The drive train 10 includes a compliant shaft 3, two speed sensors, namely a first speed sensor 4 and a second speed sensor 5, a computing unit 6, an adjustable damping element 7 and an optional gearbox 9. The speed sensors 4, 5 detect the speed over with Shaft 3 rotatably connected encoder rings 4b, 5b. The encoder rings are in the present case designed as incremental wheels. An input torque can be introduced into the drive train at a drive-side end 1 of the drive train 10 by means of a drive machine (not shown). The shaft 3 is configured to guide the input torque to a load-side end 2 of the drive train 10.
Die Messsignale der zwei Sensoren 4, 5 werden über eine geeignete Übertragungs- Strecke in Form einer funkbasierten Übertragungsstrecke 4a bzw. 5a an die Rechen- einheit 6 übertragen. Selbstverständlich könnte auch eine drahtgebundene Funkstre- cke verwendet werden. Die Recheneinheit 6 wertet die empfangenen Messsignale aus und steuert über eine geeignete Übertragungsstrecke 6a das verstellbare Dämp- fungselement 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,The measuring signals of the two sensors 4, 5 are transmitted to the computing unit 6 via a suitable transmission path in the form of a radio-based transmission path 4a or 5a. Of course, a wired radio link could also be used. The arithmetic unit 6 evaluates the received measurement signals and controls the adjustable attenuation element 7 via a suitable transmission path 6a. The damping element 7 is integrated in a coupling unit 11 which connects two sections, namely a section 3a and a section 3b of the shaft 3 with each other. The dome unit 11 comprises two flanges 11a,
11 b, wobei ein jeder Flansch drehfest mit einem Wellenabschnitt 3a, 3b drehfest ver- bunden ist, die die beiden Abschnitte 3a, 3b der Welle 3 lösbar miteinander verbin- den. Die Abschnitte 3a und 3b könnten auch als separate Wellen bezeichnet werden, die mittels des Kupplungselements 11 verbunden werden. 11 b, wherein each flange rotatably connected to a shaft portion 3a, 3b rotatably connected, the two sections 3a, 3b of the shaft 3 releasably connect with each other. The sections 3a and 3b could also be referred to as separate shafts, which are connected by means of the coupling element 11.
Die beiden Drehzahlsensoren 4, 5 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 axial zwischen dem lastseitigen Ende 2 und dem Dämpfungselement 7 angeordnet. Die Drehmomentmessung ist jedoch grundsätzlich vor, hinter und über dem Kupp- lungselement/Torsionsdämpfungselement möglich. The two speed sensors 4, 5 are arranged axially between the load-side end 2 and the damping element 7 according to the embodiment of FIG. 1. However, the torque measurement is basically before, behind and above the coupling element / Torsionsdämpfungselement possible.
So zeigt Fig. 2 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine axiale Positionierung des Dämpfungselements 7 zwischen dem ersten Sensorele- ment 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 Messsig- nal, 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 Differenzdreh- winkelgeschwindigkeit 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 Differenz- drehwinkelgeschwindigkeit und aus der Trägheit und Differenzdrehwinkelbeschleuni- gung. Thus, in a further preferred embodiment of the invention, FIG. 2 shows an axial positioning of the damping element 7 between the first sensor element 4 and the second sensor element 5, so that the measurement of the torque occurs both before, that is, by means of the second sensor 5, and behind , So by means of the first sensor 4, the adjustable damping element 7 takes place. The sensor 4 is therefore arranged on the load side, while the sensor 5 is arranged on the drive side. The measured signal detected in front of the damping element 7 is detected via the radio link 5 a, and this is detected behind the attenuation element 7 via the radio link 4 a Measuring signal to the arithmetic unit 6 transmitted. In this embodiment, the sensors 4, 5 are designed as magnetoelastic sensors. However, it is also possible to use rotational speed sensors for detecting the differential rotational angle. In this case, ie when the adjustable damping element is located in the measuring section, in addition to the rigidity, the damper characteristic field is stored in the arithmetic unit for all adjustable damping degrees in order to take into account the contribution to the damping to the acting torque as a function of the differential angular velocity. The torque transmitted via the coupling element 11 then results from stiffness and differential rotational angle, damping and differential rotational angular velocity and from the inertia and Differenzdrehwinkelbeschleuni- supply.
Die formelmäßige Beziehung lautet wie folgt: The formulaic relationship is as follows:
Mit: With:
Massenträgheit Q, verstellbarem Dämpfungsgrad dvar, Steifigkeit c (optional: cvar ), Drehmoment M, Drehzahl w(ί) = f, Drehwinkel f, Drehbeschleunigung f = ώ. Mass inertia Q, adjustable degree of damping d var , rigidity c (optional: c var ), torque M, speed w (ί) = f, angle of rotation f, rotational acceleration f = ώ.
Das Ziel der Regelung besteht darin, dvar (entspricht d_var) den Ausdruck minimal werden zu lassen, wobei QMW das quadratisches Mittel ist. The goal of the scheme is to have d var (corresponds to d_var) the expression to be minimal, where QMW is the root mean square.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeigt Fig. 3, in welcher der Antriebs- strang 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 nacheinan- der angeordnet sind. Das zweite Dämpfungselement 8 ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Getriebe 9 mit einer Übersetzung i dasjenige Bauteil ist, dessen Torsions- steifigkeit 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 Ein- gangswelle 9b des Getriebes 9 angeordnet ist. Für die Drehmomentmessung eignet sich besonders das Prinzip mit zwei Drehzahlsensoren. Gemäß dem Ausführungs- beispiel nach Fig. 3 erfasst der erste Sensor die Drehzahl der Ausgangswelle A further preferred embodiment is shown in FIG. 3, in which the drive train 10 is shown, with a transmission 9 with two sensors 4, 5 and two damping elements connected in series (series), namely the first damping element 7 and a second damping element 8. Connected in series means that the damping elements are arranged one after the other in relation to the power flow in the drive train. The second damping element 8 is particularly advantageous if the transmission 9 with a ratio i that component whose torsional stiffness is to be measured, so that a damping element, in this case, the first damping element 7 for detecting the output speed of the output shaft 9a of the transmission 9 is arranged and the other damping element, in In this case, the second damping element 8 for detecting the input speed of the input shaft 9b of the transmission 9 is arranged. For torque measurement, the principle with two speed sensors is particularly suitable. According to the exemplary embodiment according to FIG. 3, the first sensor detects the rotational speed of the output shaft
Die Dämpfungselemente 7, 8 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel erneut als Kupplungselemente 11 mit verstellbarer Dämpfung ausgeführt, wobei das Kupp- lungselement 11 die Ausgangswelle 9a mit einem Wellenabschnitt 9d, der zum last- seitigen Ende 2 führt, und das Kupplungselement 12 die Eingangswelle 9b mit einem Wellenabschnitt 9c, der zum antriebsseitigen Ende 1 des Antriebsstrangs führt, ver- bindet. The damping elements 7, 8 are designed according to this embodiment again as coupling elements 11 with adjustable damping, wherein the coupling element 11, the output shaft 9a with a shaft portion 9d leading to the load-side end 2, and the coupling element 12, the input shaft 9b with a Shaft section 9 c, which leads to the drive-side end 1 of the drive train, connects.
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. Starting from the drive-side end 1, the components are arranged in the following axial sequence: second damping element 8, second sensor 5, transmission 9, first sensor 4, first damping element 7 and load-side end 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 Dämpfungsele- mente angesteuert wird, wenn dies nach dem Rechenalgorithmus vorteilhafter ist. Auch in dieser bevorzugten Ausführungsform können drahtgebundene Übertra- gungsstrecken anstelle der Funkstrecken verwendet werden. The measured values recorded by means of the sensors 4, 5 are transmitted to the arithmetic unit 6 via radio links 4a, 5a. This evaluates the measured values and then controls and regulates the first damping element via a radio link 6a and, via a radio link 6b, the second damping element 8 for damping and altering the torsional rigidity. Thus, for example, both damping elements can be controlled simultaneously. However, it may be that only one of the two attenuation elements is actuated, if this is more advantageous according to the calculation algorithm. In this preferred embodiment, too, wired transmission links can be used instead of the radio links.
Fig. 4 und 5 zeigen Ausschnitte eines der vorstehenden Antriebsstränge mit einer aufgelösten Kuppeleinheit. Es wird gezeigt, dass die Messstelle(n) die im Antriebsstrang wirkenden mechani- schen Elemente, nämlich 4 and 5 show sections of one of the above drive trains with a dissolved coupling unit. It is shown that the measuring point (s) are the mechanical elements acting in the drive train, namely
- Trägheiten: Masse m, Trägheitsmoment Q;  - inertia: mass m, moment of inertia Q;
- Steifigkeiten: c; und  - stiffnesses: c; and
- Dämpfungen: d, dazu zählen auch die Bauteile des Kupplungselements, an beliebiger Stelle„freischneiden“ oder entkoppeln können. Die Reihenfolge der wir- kenden Elemente (Dämpfung, Steifigkeit, Trägheit) kann im Antriebsstrang variiert o- der verteilt werden, bspw. in Form einer Reihenschaltung (vgl. Fig. 3) oder in Form einer nicht dargestellten Parallelschaltung). Bei einer Parallelschaltung können in der Kuppeleinheit mehrere Elemente angeordnet sein oder das Drehmoment wird bspw. auf unterschiedliche, parallele Leistungszweige verteilt.  - Damping: d, which also includes the components of the coupling element, at any point "cut" or can decouple. The order of the acting elements (damping, stiffness, inertia) can be varied or distributed in the drive train, for example in the form of a series connection (see FIG. 3) or in the form of a parallel circuit (not shown). In a parallel connection, a plurality of elements can be arranged in the coupling unit or the torque is distributed, for example, to different, parallel power branches.
Bei Drehwinkelsensoren oder Drehzahlsensoren wird von 2 Messstellen ausgegan- gen, um die Differenz bilden zu können. Fig. 4a zeigt zwei Messstellen für ein aufge- löstes Kupplungselement. Fig. 5 zeigt eine Messstelle und optional alternative oder zusätzliche Messstellen A, B, C, D, E, F. For rotary angle sensors or speed sensors, 2 measuring points are assumed in order to be able to form the difference. Fig. 4a shows two measuring points for a dissolved coupling element. Fig. 5 shows a measuring point and optionally alternative or additional measuring points 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. For the detection of the rotational angle difference, any way measuring principles are suitable, which are arranged tangentially or along the elastic member.
Fig. 6 bis 8 zeigen verschiedene Dämpfungselemente zur Verwendung in dem erfin- dungsgemäßen Antriebsstrang. Für die Ansteuerung der verstellbaren Dämpfungs- elemente 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 Verbren- nungskraftmaschine) identifizieren zu können und an der richtigen Stelle zu dämpfen. FIGS. 6 to 8 show various damping elements for use in the drive train according to the invention. To control the adjustable damping elements, a frequency evaluation of the torque signal is provided (FFT over a short time interval) in order to be able to identify the type of excitation (on the load side, for example by propeller or propeller screw) or on the drive side (for example rotational nonuniformity of the internal combustion engine) and damp in place.
Die Verstellung der Dämpfung im Dämpfungselement erfolgt bei der Scherung eines hydraulischen Mediums durch ERF, MRF oder bei Durchströmung einer Drossel durch hydraulische Ventile. The adjustment of the damping in the damping element takes place in the shear of a hydraulic medium by ERF, MRF or flow through a throttle by hydraulic valves.
Zu Fig. 6. Die Kuppeleinheit 1 1 weist zwei Flansche 1 1 a und 1 1 b auf. Beide Flan- sche 11 a, 1 1b weisen zueinander gerichtete Seiten 71 , 72 auf. Am Flansch 11 a, 1 1 b sind auf der Seite 71 , 72 dünne zylindrische Rippen vorgesehen, die mäanderförmig ineinandergreifen, ohne den gegenüberliegenden Flansch zu berühren. To Fig. 6. The dome unit 1 1 has two flanges 1 1 a and 1 1 b. Both flanges 11a, 1b have mutually facing sides 71, 72. On the flange 11 a, 1 1 b On page 71, 72 thin cylindrical ribs are provided which mesh meander-shaped, without touching the opposite flange.
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. Radially inwardly and outwardly, the ribs form an enclosed space 75, filled with an electro-rheological fluid (ERF), via an insulating seal. The cylindrical ribs form a capacitor with the ERF as a dielectric. By applying a voltage U, an electric field is formed, whereby the particles of the ERF align and change the shear rate. The change in the shear rate of the viscous ERF causes an adjustable damping in the coupling element.
In Fig. 7 ist eine einstellbare Wirbelstrombremse dargestellt. Die Spule erzeugt in Ab- hängigkeit der Stromquelle ein Magnetfeld und diese in Abhängigkeit der Feldstärke und Rotationsgeschwindigkeit ein dämpfendes Drehmoment. In Fig. 7 an adjustable eddy current brake is shown. The coil generates a magnetic field as a function of the current source and this, depending on the field strength and rotational speed, a damping torque.
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 be- einflusst wird, verändert. Furthermore, between the two shafts or shaft sections or on the flange of the coupling unit, a hydraulic working piston with two working spaces can be formed. Upon rotation of the coupling unit, the fluid is conveyed through a throttle in another working space. The damping is changed by an adjustable valve or a magneto-rheological fluid (MRF), which is influenced by a magnetic field.
Fig. 8 zeigt mögliche Ausführungsformen, einen hydraulischen Dämpfer in einer elas- tischen Kuppeleinheit zu integrieren. Die Arbeitsräume der Dämpfer sind so dimensi- oniert, dass der Winkelbereich der elastischen Kuppeleinheit abgedeckt werden kann. Fig. 8 shows possible embodiments to integrate a hydraulic damper in an elastic dome unit. The work spaces of the dampers are so dimensioned that the angular range of the elastic coupling unit can be covered.
In Bild a) und b) der Fig. 8 wird zwischen den Flanschen eine aus Zweimassen- schwungrädern bekannten Planetenstufe ausgebildet und die Planetenräder zum Be- tätigen des Dämpfers (Rotationsdämpfer oder linearer Dämpfer) genutzt. Bilder c zei- gen einen tangential angeordneten, linearen Kolbendämpfer. In picture a) and b) of FIG. 8, a planetary stage known from dual-mass flywheels is formed between the flanges and the planetary gears are used to actuate the damper (rotational damper or linear damper). Images c show a tangentially arranged, linear piston damper.
Fig. 9 zeigt die Verwendung des von einer Wellenturbine 22 antreibbaren erfindungs- gemäßen Antriebstrangs 10 zum Antrieb eines Rotors 21 in einem Hubschrauber 20. Fig. 10 zeigt die Verwendung des von einem Hydraulikmotor 32 erfindungsgemäßen Antriebstrangs 10 für eine Vorderkantenklappe 31 in einem Flugzeug 30. 9 shows the use of the drive train 10 according to the invention, which can be driven by a shaft turbine 22, for driving a rotor 21 in a helicopter 20. 10 shows the use of the drive train 10 according to the invention for a leading edge flap 31 in an aircraft 30 according to the invention by a hydraulic motor 32.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang eines Luftfahrzeugs mit einem Drehmoment führenden Bauteil 3, 9), dadurch ge- kennzeichnet, dass unter Verwendung von zumindest einem Sensor (4, 5) ein auf das Bauteil (3, 9) wirkendes Torsionsmoment ermittelt wird und das ermittelte Torsi- onsmoment zur Regelung zumindest eines im oder am drehmomentführenden Bau- teil (3, 9) des Antriebsstrangs (10) angeordneten verstellbaren Dämpfungselements (7, 8) und zur Regelung einer Torsionssteifigkeit des drehmomentführenden Bauteils (3, 9) zur Reduzierung der Torsionsbelastung im Bauteil (3, 9) verwendet wird. 1. A method for damping torsional vibrations in a drive train of an aircraft with a torque-carrying component 3, 9), characterized in that using at least one sensor (4, 5) acting on the component (3, 9) torsional moment and the determined torsional moment for controlling at least one adjustable damping element (7, 8) arranged in or on the torque-conducting component (3, 9) of the drive train (10) and for controlling a torsional rigidity of the torque-carrying component (3, 9). to reduce the torsional load in the component (3, 9) is used.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Torsionsmoment unter Verwendung eines magnetoelastischen oder magnetoresistiven Sensors, 2. The method of claim 1, wherein the torsional moment using a magnetoelastic or magnetoresistive sensor,
eines Drehwinkelsensors, oder  a rotation angle sensor, or
eines akustischen Sensors ermittelt wird.  an acoustic sensor is determined.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Torsionsmoment unter Verwen- dung von einem ersten (4) und einem zweiten Sensorelement (5) ermittelt wird. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the torsional moment using a first (4) and a second sensor element (5) is determined.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Torsions- moment unter Verwendung eines auf einer Antriebsstrangkomponente, wie insbeson- dere Getriebe (9), Welle (3) oder Lagerung angeordneten Sensorelements ermittelt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the torsional torque is determined using a sensor element arranged on a drive train component, such as in particular transmission (9), shaft (3) or storage.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Torsions- moment unter Verwendung eines in eine Antriebstrangkomponente integrierte Sen- sorelements (4, 5) ermittelt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the torsional moment using a sensor element integrated into a drive train component (4, 5) is determined.
6. 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. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the determined torsional moment for the control of two adjustable damping elements (7, 8) for reducing the torsional load in the component (3, 9) is used.
7. Antriebsstrang (10) eines Luftfahrzeugs mit einem Bauteil (3, 9) das ausgebil- det 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; 7. A drive train (10) of an aircraft with a component (3, 9) which is designed to carry a torque, characterized by at least one sensor element (4, 5) which is designed to determine a torsional moment acting on the component (3, 9);
zumindest ein verstellbares Dämpfungselement (7, 8), das ausgebildet ist, eine Torsionsbelastung im Bauteil zu reduzieren, insbesondere den Dämpfungsgrad des Bauteils zu verstellen; und  at least one adjustable damping element (7, 8), which is designed to reduce a torsional load in the component, in particular to adjust the degree of damping of the component; and
eine Steuer- und Regeleinheit (6), die ausgebildet ist, das ermittelte Torsions- moment auszuwerten und mittels des ausgewerteten Torsionsmoments das verstell- bare Dämpfungselement (7, 8) anzusteuern.  a control and regulating unit (6) which is designed to evaluate the determined torsional moment and to control the adjustable damping element (7, 8) by means of the evaluated torsional moment.
8. 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. Drive train according to claim 7, wherein the damping element (7, 8) is integrated in a coupling unit (11, 12) which has two sections (3a, 3b, 9a, 9d, 9b, 9c) of the torque-conducting component (3, 9 ) connects to each other.
9. Antriebsstrang nach Anspruch 7 oder 8, wobei zwei Sensorelemente (4, 5) zur Ermittlung des Torsionsmoments vorgesehen sind. 9. Drive train according to claim 7 or 8, wherein two sensor elements (4, 5) are provided for determining the torsional moment.
10. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zwei entweder seriell oder parallel geschaltete Dämpfungselemente (7, 8) zur Reduzierung der Torsions- belastung vorgesehen sind. 10. Drive train according to one of claims 7 to 9, wherein two either serially or in parallel connected damping elements (7, 8) are provided to reduce the torsional load.
11. Vorrichtung, insbesondere Regeleinrichtung eines Luftfahrzeugs, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist. 11. Device, in particular control device of an aircraft, which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims 1 to 6.
12. Verwendung des Verfahrens der Ansprüche 1 bis 6 in einem Luftfahrzeug, ins- besondere in einem Hubschrauber oder Flugzeug. 12. Use of the method of claims 1 to 6 in an aircraft, in particular in a helicopter or aircraft.
13. Luftfahrzeug, insbesondere Hubschrauber oder Flugzeug mit einem Antriebs- strang nach einem der Ansprüche 7 bis 10 und einer Vorrichtung nach Anspruch 11. 13. Aircraft, in particular helicopter or aircraft with a drive train according to one of claims 7 to 10 and a device according to claim 11.
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