Zero-Stiffness-Systeme
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Die Umsetzung eines Zero-Stiffness-Systems für die Lagerung von großen Massen hat das Potential, niedrige Entkopplungsfrequenzen bei einer gleichzeitig hohen Tragfähigkeit zu erreichen.
Ein Zielkonflikt bei der schwingungstechnischen Entkopplung ist die Erreichung niedriger Entkopplungsfrequenzen bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit der Lagerung. Durch die gezielte Vorspannung und Anordnung zusätzlicher Federn kann die Steifigkeit klassischer Federsysteme herabgesenkt werden, ohne die Tragfähigkeit signifikant zu beeinflussen. Der Einsatz solcher Zero-Stiffness-Systeme besitzt somit großes Potential für die Entkopplung großer, schwingungsfähiger Massen. Um die Umsetzung dieser neuartiger Federsysteme zu ermöglichen, forscht das IGMR an der Auslegung sowie dem Verhalten solcher Systeme.
Motivation
Um unerwünschte Schwingungen großer Massen zu verringern, müssen die Stützstrukturen von externen Störungen entkoppelt werden. Dabei wird eine möglichst niedrige Isolationsfrequenz angestrebt. Klassische Federsysteme stoßen hierbei häufig an ihre Grenzen. Auf der einen Seite erfordert eine niedrige Entkopplungsfrequenz Federn mit möglichst geringer Steifigkeit. Auf der anderen Seite nehmen die mechanischen Spannungen in den Federn mit sinkender Steifigkeit zu, sodass die Dauerfestigkeit nicht mehr gegeben ist.
Eine Möglichkeit, diesen Zielkonflikt aufzulösen, sind sogenannte Zero-Stiffness-Systeme. Beim oben abgebildeten System handelt es sich um einen ungedämpften Einmassenschwinger, welcher um zwei seitliche, vorgespannte Federn erweitert worden ist. In dem dargestellten Betriebspunkt wird die Last ausschließlich von der vertikalen Feder getragen. Im Falle einer Auslenkung in vertikaler Richtung wirken die vorgespannten seitlichen Federn aufgrund ihrer vertikalen Kraftkomponente nicht entgegen der Auslenkung, sondern verstärken diese. Daher weisen die seitlichen Federn eine negative Steifigkeit in Bezug auf eine vertikale Auslenkungen auf. Mithilfe der Kombination der positiven Steifigkeit der vertikalen Feder und der negativen Steifigkeit der horizontalen Federn, kann die Gesamtsteifigkeit bei gleicher Tragfähigkeit theoretisch deutlich verringert werden.
Ziel
Der Ansatz durch die Kombination der positiven Steifigkeit klassischer Federn mit einer negativen Steifigkeit, die durch geeignete Mechanismen erzeugt wird, besitzt hohes Potential für die Entkopplung großer Massen. Auf diese Weise können theoretisch Isolationssysteme mit hoher Tragfähigkeit und niedrigen Isolationsfrequenzen realisiert werden. Im Rahmen der Forschungen am IGMR werden Auslegungskriterien der Systemelemente genauer analysiert und bestehende Abhängigkeiten innerhalb dieser aufgezeigt. Darüber hinaus wird das Systemverhalten außerhalb dem Betriebspunkt untersucht.
Vorgehen
Im Rahmen dieser Forschungen werden verschiedene technische Ansätze zur Schwingungsisolierung durch Zero-Stiffness-Systeme recherchiert und analysiert. Als Vertiefung der Arbeiten werden für die vielversprechendsten Ansätze Berechnungsgrundlagen hergeleitet und entsprechend der vorgenommenen Modellierung des Systems in einer Simulationsumgebung angepasst. Auf diese Weise lassen sich erste Abschätzung für die Auslegung und Dimensionierung der benötigten Elemente eines solchen Zero-Stiffness-Systems erarbeiten. Darauf aufbauend werden Einflüsse und Auswirkungen verschiedener Systemparameter auf systemspezifische Eigenschaften untersucht, um die Entwicklung der Systemelemente weiter zu optimieren.
Die Untersuchung zum Systemverhalten außerhalb des Betriebspunktes wird unter Zuhilfenahme von Mehrkörpersimulation durchgeführt. Hierbei werden beispielsweise anhand von geeigneten Vergleichskriterien die Linearität bestimmter Systemeigenschaften in Abhängigkeit der Auslenkung ermittelt.
IGMR als Partner in der Schwingungstechnik
Am IGMR werden neuartige Isolationssysteme für die Entkopplung großer, schwingungsfähiger Massen untersucht. Hierbei kann die langjährige Erfahrung und die Expertise in der Schwingungstechnik mit den neusten Forschungsmethoden kombiniert werden.