Machbarkeitsstudie zur Verwendung energieautarker adaptiver Schwingungstilger in technischen Anwendungen

Der einfache Aufbau (Feder-Masse-Dämpfer) von passiven Schwingungstilgern zur Minderung von störenden Schwingungen hat wesentlich zu deren Verbreitung in zahlreichen technischen Systemen beigetragen. Es zeigt sich jedoch, dass die passive Lösung auch Nachteile hat. Neben der Abhängigkeit der Dämpfung von Umwelt- und Alterungseinflüssen wird eine hohe Masse benötigt, um den Tilgereffekt robust gegen Änderungen der Störungen oder der Resonanz der Trägerstruktur zu machen. Mit adaptiven Schwingungstilgern, bei denen die Tilgerresonanz und -dämpfung einstellbar ist, können diese Effekte minimiert werden. Mit den verbesserten Eigenschaften geht allerdings auch eine Erhöhung der Komplexität einher. Die aktive Anpassung der Tilgereigenschaften macht eine elektrische Energieversorgung für die Ansteuerung elektromechanischer Wandler notwendig. Die benötigte elektrische Energie lässt sich durch ein integriertes Energy-Harvesting bereitstellen. Dies erhöht jedoch weiter die Systemkomplexität und stellt neue Anforderung an die Auslegung solcher energieautarken und adaptiven Schwingungstilger. Hierzu zählt beispielweise das Erzielen einer positiven Energiebilanz als notwendige Voraussetzung für einen energieautarken Betrieb. Neben der Frage nach der technischen Machbarkeit stellt sich daher auch die Frage nach dem Verhältnis von Aufwand und Nutzen für konkrete Anwendungen. Dabei hängt die technische Machbarkeit von der Anwendung ab, wodurch sich komplexe Anforderungen für das Verhältnis von schwingender Masse, einstellbarem Frequenzbereich und Energiebedarf ergeben. Zur deren Beherrschung ist ein systematisches Vorgehen für den Abgleich von Systemkomponenten und Funktionen und eine Beurteilung des Mehrwerts unter Berücksichtigung der Anforderungen der Anwendung sinnvoll. Das Paper beschreibt verschiedene technische Konzepte entlang des Stands der Technik in den Basistechnologien der adaptiven Schwingungstilger und des vibrationsbasierten Energy-Harvestings. Es werden mögliche Funktionen anhand von Beispielen aus der Literatur abgeleitet. Des Weiteren werden mögliche Anwendungen und ihre Anforderungen an den Frequenzbereich, die Verstellbarkeit die Masse und die Strukturüberwachung durch Literatur und eigene Projekte vorgestellt. Durch eine Gegenüberstellung mit den Funktionen wird der mögliche Mehrwert abgeleitet. Die Machbarkeit einer konkreten Anwendung wird auf Basis einer realen Datenbasis und einer Systemsimulation analysiert.