Ausgangssituation

Bei der Vibrationsanregung technischer Systeme haben die mechanischen Eigenschaften der Schnittstellen erheblichen Einfluss auf das Systemverhalten. Eine Variation dieser Eigenschaften führt zu einem Einfluss auf das Schwingverhalten des angebundenen technischen Systems. Dieser Einfluss ist in unterschiedlichen dynamischen Systemen von Relevanz. Eine Zielgröße ist, das dynamische Verhalten vibrationsbelasteter technischer Systeme positiv zu beeinflussen, sodass bspw. kritisches Aufschwingen von vibrationsbelasteten Produkten reduziert oder gänzlich vermieden wird. Im Bereich des realitätsnahen Testens ist es zum anderen notwendig, die Schnittstelleneigenschaften der realen Umgebung nachzubilden, um ein aussagekräftiges Systemverhalten des Testobjektes zu erhalten.

Zeitlich unveränderliche Schnittstelleneigenschaften können über individuell ausgelegte oder stationär einstellbare Schnittstellenelemente abgebildet werden. Diese wurden im abgeschlossenen DFG-Projekt AIProVE in der Forschung zu anpassbaren Impedanzelementen (AIE) untersucht. Bei AIEs handelt es sich um Maschinenelemente, bestehend aus einstellbaren Feder- und Dämpferelementen, welche in ihren Eigenschaften unabhängig voneinander eingestellt werden können und somit die mechanische Impedanz des Systems beeinflussen. Transientes Verhalten lässt sich mit den erforschten AIEs des Projekts AIProVE nicht abbilden, da deren mechanische Eigenschaften nicht im Betrieb verstellt werden können.

Bild 1: Prinzip der Schwingungsbeeinflussung durch anpassbare Impedanz elemente (AIE) bzw. dynamisch adaptive Impedanzelemente (dAIE, links), sowie das resultierende Aufschwingen des Gesamtsystems (rechts)
 

Zielsetzung

Um transientes oder multistationäres Verhalten abbilden zu können, sind dynamisch adaptive Impedanzelemente (dAIE) zu erforschen, deren mechanische Eigenschaften im Betrieb verändert werden können. So lassen sich zum einen Systeme untersuchen, deren Schnittstellen-eigenschaften sich in Abhängigkeit der Umgebungs-bedingungen ändern. Zum anderen lässt sich durch dAIE eine Effizienzsteigerung beim Testen schwingender Strukturen erreichen, da Kennfelder variierender Schnittstelleneigenschaften am Prüfstand automatisiert abgefahren werden können. dAIE eigenen sich einerseits zum realitätsnahen Abbilden von transienten Schnittstelleneigenschaften realer Systeme am Prüfstand und andererseits zum gezielten Beeinflussen des dynamischen Verhaltens der untersuchten Strukturen. Demonstriert wird dies anhand zweier möglicher Anwendungsfelder, dem Testen von Leichtbaustrukturen in der Luftfahrt (PKT) und dem Testen von Power Tools (IPEK).

Bild 2: Schwingungsbeeinflussung von Leichtbaustrukturen in der Luftfahrt (links) und Abbilden des menschlichen Hand-Arm-Systems zum Testen von Power Tools (rechts) mittels dAIE

Durch dAIE als Schnittstellen zwischen Prüfstand und Leichtbaustruktur können die optimalen mechanischen Schnittstelleneigenschaften bestimmt werden, durch die die Schwingungsamplituden in den Resonanzen maximal reduziert werden. Insbesondere bei Leichtbaustrukturen mit mehreren Resonanzen im relevanten Frequenzbereich, bieten dAIE das Potential zur weiteren Schwingungsreduktion gegenüber den AIE des Vorgängerprojekts. Für jede Resonanz kann die passende  Kombination aus Steifigkeit und Dämpfung im Betrieb eingestellt werden, die zu minimiertem Aufschwingen führt. Beim Testen von Power Tools wird das zeitlich veränderliche mechanische Verhalten des menschlichen Hand-Arm-Systems durch dAIE abgebildet. So kann die Interaktion zwischen Anwender und Power Tool bei wechselnden Randbedingen am Prüfstand reproduzierbar untersucht werden.
 

Vorgehen

§ Ermitteln der Anforderungen an dAIE und Simulation
§ Entwickeln von Demonstratoren für einstellbare Steifigkeits- und Dämpfungselemente
§ Kombination zu dAIE und Testen des Schwingungsverhaltens der dAIE
§ Validierung an den spezifischen Systemen Flugzeugkabinenmonumente und Power Tools, sowie Entwickeln von
   Steuerungsstrategien
 

Projektleitung (PKT): Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause

Projektmanagement und -bearbeitung: Lukas Bunk, M.Sc.
 

Projektförderung und Verbundpartner

Projektpartner ist das IPEK (KIT). Das Projekt DynaVal an den Instituten PKT (TUHH) und IPEK (KIT) wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert.

Projektnummer: 530564503

Die Laufzeit des Projekts reicht von 2024 bis 2027.