New semi-active vibration control with Serial-Stiffness-Switch-System based on vibration energy harvesting

Min, Chaoqing

Diese Dissertation untersucht eine neuartige semi-aktive Schwingungsteuerung mit einem seriellen-Steifigkeit-Schalter-System (4S) basierend auf der Speicherung von Schwingungsenergie. Auf Basis der Schwingungsreduktionsanalyse für ein passives und ein semi-aktives Schaltsystem werden Probleme vorhandener Schwingungsteuerungssystemen aufgezeigt und durch das 4S Konzept gelöst. Um seine Leistungsfähigkeit zu untersuchen, wird zunächst 4S im offenen Regelkreis analysiert und die äquivalente Steifigkeit und Eigenfrequenz des Schaltsystems abgeleitet. Es folgt die Analyse für 4S im geschlossenen Regelkreis. Zur Schwingungsreduzierung wird ein Geschwindigkeits-Nulldurchgangs Schaltgesetz verwendet, das auf der Speicherung von Schwingungsenergie basiert. Dies wird unter einer harmonischen Störung numerisch validiert. Anschließend werden Grenzen der Energiespeicherung analysiert. Es folgt eine experimentelle Validierung dieser neuartigen Strategie zur Schwingungssteuerung vorgestellt und ein drehender Prüfstand entwickelt. Der Prüfstand verwendet zwei ringförmig angeordnete Elektromagnetplatten zusammen mit einer Ankerwelle als zwei mechanische Schalter, um die Verbindung oder Trennung von zwei Spiralfedern mit einem Lastträgheitsmoment zu erreichen. Die Speicherung von Schwingungsenergie und die Schwingungsreduktion werden auf diesem Versuchssystem getestet. Neben einer harmonischen Störung wird auch eine Anfangsgeschwindigkeit ungleich Null berücksichtigt. Um in diesem Fall die Schwingungsreduktion zu verbessern, wird ein neues Schaltgesetz vorgeschlagen. Mit Hilfe der Phasenebene wird das transiente und stationäre Ratterverhalten von 4S analysiert. Das Schaltgesetz ermöglicht eine schnelle Umwandlung der anfänglichen kinetischen Energie, die in beiden Federn zu gleichen Teilen gespeichert wird. Dies ist numerisch und experimentell validiert. Zusätzlich wird einer harmonischen Störung an dem neuen Schaltgesetz getestet, das ein besseres Positionierverhalten als das Geschwindigkeits-Nulldurchgangs Schaltgesetz aufweist. Schließlich wird 4S zur Schockisolierung eingesetzt. Die maximale Reduzierung des Überschwingens des Wegs beim Schock und die Reduktion der Restschwingungen nach dem Schock werden numerisch validiert. Darüber hinaus wird auch der Einfluss verschiedener Designparameter von 4S auf das Isolationsverhalten untersucht.

This dissertation investigates a novel semi-active vibration control with Serial-Stiffness-Switch-System (4S) based on vibration energy harvesting. On the basis of the vibration reduction performance analysis for a passive and a semi-active switching system, the problem in the present vibration control systems is stated and 4S concept is consequently put forward. In order to examine its performance, 4S in open loop control is analyzed firstly and the equivalent stiffness and natural frequency of the switching system are derived. Following is the analysis for 4S in closed loop control. A velocity zero-crossing switching law based on vibration energy harvesting is used for vibration reduction. This is numerically validated under a harmonic disturbance. Afterwards, vibration energy harvesting limit is analyzed. An experimental validation on this novel vibration control strategy is then presented and a rotational test rig is developed. The test rig uses two ring-arranged electromagnet-plates together with an armature-shaft as two mechanical switches to achieve the connection or disconnection of two spiral springs to or from a primary plate. The vibration energy harvesting and vibration reduction performance of 4S are tested on this experimental system. Apart from a harmonic disturbance, a nonzero initial velocity vibration is also considered. To improve vibration reduction performance in this case, a new switching law is proposed. By means of phase plane, the transient and steady chattering response of 4S are analyzed. The switching law enables a fast transformation of initial vibration energy into potential energy equally stored in two springs. This is numerically and experimentally validated. Additionally, a harmonic disturbance is also exerted on the new switching law. The results show that 4S has a better positioning performance than that for the velocity zero-crossing switching law. Finally, 4S is further applied for shock isolation. The maximum displacement response reduction during shock and the residual vibration suppression after shock are numerically validated. Moreover, the effect of several design parameters of 4S on the shock isolation performance is investigated as well.

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Min, Chaoqing: New semi-active vibration control with Serial-Stiffness-Switch-System based on vibration energy harvesting. Ilmenau 2018.

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