Integrierte dielektrische Elastomerwandler für aktive Schwingungsdämpfung

Dielektrische Elastomere sind adaptive Materialsysteme, welche als Aktoren, Sensoren oder als Generatoren eingesetzt werden konnen. Ein dielektrischer Elastomeraktor ist wie ein nachgiebiger Kondensator aufgebaut. Er besteht aus zwei elastischen Elektroden. Dazwischen befindet sich ein weiches Elastomer, welches als Dielektrikum und Ruckstellfeder dient. Eine angelegte elektrische Spannung bewirkt die Ausbildung des elektrostatischen Drucks auf die Elektroden, wodurch sich der Aktor zusammenzieht und aufgrund der Volumenkonstanz des Elastomers sich gleichzeitig lateral ausdehnt. Am Institut fur Elektromechanische Konstruktionen wurde ein vollautomatisierter Prozess fur die Herstellung von Stapelaktoren entwickelt. Diese Multilayer-Technologie ermoglicht eine Erhohung der longitudinalen Auslenkung des Aktors bei gleichbleibender elektrischer Spannung. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einsatz der dielektrischen Elastomerstapelaktoren (DESA) fur die aktive Schwingungsunterdruckung erforscht. Dafur wird eine neuartige Geometrie des Lagerelementes entworfen, welche die Grundform eines pneumatischen Lagerelements ubernimmt. Der DESA ist nur am Rand mit einer hohlen Halterung befestigt, im Inneren ist Luft eingeschlossen. Dank dieser Geometrie kann sich ein DESA ungehindert lateral ausdehnen und dadurch einen hohen vertikalen Hub erzeugen, was insbesondere fur die Schwingungskompensation im unteren Frequenzbereich wichtig ist. Die Geometrie des Lagerelements wird mit ANSYS FEM-Software optimiert und der Einfluss einzelner Parameter analysiert. Die entwickelten Lagerelemente werden in eine aktive Dampfungsmatte zusammengefasst. Sie besteht aus 5 DESA und ihre Abmessungen betragen 140 x 140 x 20 mm3. Die aufgebaute aktive Dampfungsmatte bietet eine gunstige Alternative zu den auf dem Markt vorhandenen aktiven Isolationsplattformen. Ihre Besonderheit ist die Kombination von passiven und aktiven Eigenschaften einer Lagerung. Im unteren Frequenzbereich unterdrucken die Aktoren aktiv die Vibrationen. Dagegen werden die hochfrequenten Storungen ab ca. 100 Hz passiv aufgrund der Materialdampfung des Elastomers, welches als Grundmaterial fur die Herstellung der DESA dient, eliminiert. Auserdem hat die entwickelte aktive Dampfungsmatte eine einfache feinmechanische Konstruktion im Vergleich zu gangigen Systemen. Fur die Detektion der storenden Schwingungen wird ein neuartiger resistiver Wegsensor entwickelt und auf die Innenseite des DESA aufgebracht. Der Verformungskorper des Sensors ist der Aktor selbst. Die Dehnungsmessstreifen (DMS) des Sensors, die als eine Viertelbrucke verschaltet sind, werden aus gestempeltem Graphitpulver hergestellt. Der Sensor kann sowohl fur statische als auch fur dynamische Messungen der Auslenkung eingesetzt werden, insbesondere in der Resonanz hat er eine hohe Empfindlichkeit. Die entwickelte aktive Dampfungsmatte mit dem integrierten resistiven Sensor wird in einen geschlossenen Regelkreis mit einem Skyhook-Regler integriert, um aktiv die storenden Vibrationen zu kompensieren. Des Weiteren werden in dieser Arbeit zwei Typen der Inertialmassenerreger auf Basis von DESA entwickelt und aufgebaut, die sowohl fur die aktive Schwingungskompensation als auch fur haptische Anwendungen eingesetzt werden konnen.