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Vorrichtung zur Aufhebung oder Herabsetzung der Vibrationen in Maschinenanlagen u. dgl.
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zur Aufhebung oder Herabsetzung der in den festen Teilen von Maschinenanlagen u. dgl., z. B. Kraftmaschine, Arbeitsmaschinen, Schiffen usw., auftretenden Vibrationen und Erschütterungen.
In Verbrennungskraftmaschinen entstehen z. B. Vibrationen oder periodische Schwingungen zufolge der hin-und hergehenden Massen (Kolben, Kolbenstange, Kreuzkopf usw.). Die Besehleunigungskräfte, womit die genannten hin-und hergehenden Massen das Gestell und Fundament des Motors beeinflussen, können annähernd durch die Formel P . cos p + B eos 2v ausgedruckt werden, wo A und B Konstanten sind, während !'der Drehungswinkel ist. In dieser Formel vertritt das erste Glied Kräfte erster Ordnung, während das zweite Glied Kräfte zweiter Ordnung vertritt, und diese Kräfte schwingen, wie ersichtlich, nach Sinuskurven (Kosinuskurven).
Die Kräfte erster Ordnung, die-wie aus der Formel ersichtlich-im Takt mit der Drehzahl des Motors schwingen, werden bekanntlich durch auf der Kurbelwelle angebrachte Gegengewichte aufgehoben. Die Kräfte zweiter Ordnung, die-wie ersichtlich-in einem doppelt so grossen Takte schwingen, werden nicht hiedurch aufgehoben, sondern es müssen besondere Massregeln getroffen werden, und dies ist u. a. der Zweck der Erfindung.
Als ein Beispiel können die den Führungsdrücken im Kreuzkopf einer mehrzylindrigen Kolben- maschine entstammenden Vibrationen erwähnt werden. Ein Teil der mit den Führungsdrücken harmonierenden periodischen Kräfte niedriger Ordnungen heben sich in vielen Fällen in einer mehrzylindrigen Maschine gegenseitig auf, während die harmonischen Kräfte sehr hoher Ordnung keine Vibrationen von Bedeutung erzeugen, so dass es sich gewöhnlich nur darum handelt, von harmonischen Kräften einer einzigen Ordnung herrührende Vibrationen aufzuheben. Beispielsweise mag das Verhältnis in einem sechs- zylindrigen Viertakt-Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle gewöhnlicher Bauart erwähnt werden.
Hier heben sich die Summen der harmonischen Kräfte der Ordnungen von bis bis 2% für sämtliche Zylinder gegenseitig auf, wogegen die Kräfte dritter Ordnung sich addieren, während die Kräfte noch höherer Ordnung entweder einander aufheben oder so hohe Periodenzahlen haben, dass sie belanglos sind. In diesem Falle sind es also nur Kräfte dritter Ordnung, die die Erschütterungen hervorbringen, und diese Kräfte sind harmonische, periodische Kräfte, die nach einer einfachen Sinuskurve variieren.
Als ein weiteres Beispiel können die Erschütterungen erwähnt werden, die in Sehraubenschiffen dadurch entstehen, dass die Lagerdrücke im Achtersteven während der Umdrehungen der Schraube bzw.
Schrauben wechseln, indem die Rückwirkung auf die Schraubenflügel in einer Ebene winkelrecht zur Schraubenwelle bzw. zu den Schraubenwellen in Grösse und Richtung wechselt. Es ist ebenfalls hier die
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wirkungskomponenten harmonieren.
Die Anordnung gemäss der Erfindung, die die Aufhebung oder Herabsetzung der Erschütterungen bezweckt, wovon oben Beispiele angeführt sind, ist der Art, bei welcher in Verbindung mit den vibrierenden, festen Teilen der Anlage Massen angebracht sind, z. B. Klötze, Blöcke od. dgl., die nach der Grösse der vibrierenden Teile und der Vibrationen abgepasst sind und in schwingende Bewegungen versetzt werden, die zum Aufheben bzw. Entgegenwirken der Vibrationen dienen.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Massen zusammen mit den sie tragenden Organen ein schwingungsfähiges System mit einer Eigenschwingungszahl gleich oder annähernd gleich die Periodenzahl der die Vibrationen hervorrufenden harmonischen Einwirkungen ausmachen und dass die schwingende Bewegung der genannten Massen in solcher Weise, z. B. von den bewegten Teilen der Maschinenanlage
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versetzt werden, deren Schwingungszahl dieselbe ist wie die Periodenzahl der die aufzuhebenden Vibrationen erzeugenden harmonischen Einwirkungen und deren Schwingungsphase ganz oder annähernd den Vibrationen entgegengerichtet ist.
Die den genannten Massen beigebrachten Schwingungen sind hiebei zweckmässig von einer solchen Grösse, dass die vibrierenden festen Teile der Maschinenanlage dadurch Einwirkungen ausgesetzt werden, die ganz oder annähernd derselben Grösse sind wie die periodischen Einwirkungen, die die Vibrationen verursachen.
Die Massen werden an den vibrierenden festen Teilen der Maschinenanlage durch federnde Verbindungen aufgehängt.
Zweckmässig können Einstellvorrichtungen benutzt werden, durch die man die Grösse der Schwin-
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Die Vorrichtung, durch die die schwingende Bewegung des schwingenden Massensystems gesteuert wird, kann zweckmässig ein federndes Glied enthalten, dessen Feder mit einer solchen Vorspannung angeordnet ist, dass es während des normalen Betriebes als eine feste Verbindung wirkt und nur bei Überlastung, z. B. beim Anlassen, nachgibt.
Die Erfindung ist auf der Zeichnung durch drei verschiedene beispielsweise Ausführungsformen veranschaulicht, u. zw. zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäss der Erfindung zur Aufhebung der Erschütterungen zufolge der Führungsdrücke bei einer Verbrennungskraftmaschine, Fig. 2 eine Vorderansicht, Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung gemäss der Erfindung zur Aufhebung der durch die hin-und hergehenden Massen hervorgerufenen Erschütterungen bei einer Verbrennungskraftmaschine, Fig. 4 eine Seitenansicht hiezu und Fig. 5 eine Seitenansicht in teilweisem Schnitt durch eine Vorrichtung gemäss der Erfindung zur Aufhebung von Erschütterungen in Schiffen. verursacht durch RÜckwirkungen von den Schrauben des Schiffes.
In Fig. 1 und 2 ist 1 das Masehinengestell einer mehrzylindrigen Viertaktbrennkraftmaschine, 2 seine Steuerwelle. Am Maschinengestell. ? sind Träger J befestigt, die einen Stahlbalken 4 mit flachem viereckigem Querschnitt tragen, welcher Balken so angeordnet ist, dass er waagrecht wirkenden Kräften gegenüber nachgiebig ist. Auf dem Balken 4 hängt ein schwerer, gusseiserner Klotz 5, dessen dem Gestell zugekehrte Seite Lager 7 für eine Rolle 6 trägt. Auf der Steuerwelle 2 sitzt eine Daumenscheibe 8 mit drei Daumen 9, die mit einer Daumenrolle 10 zusammenwirken, die in einer Gabel an einem Ende eines zweiarmigen Hebels 11 gelagert ist.
Der Hebel dreht sich um einen Zapfen 12 in einem am Maschinengestell 1 befestigten Lager 13 und trägt am unteren Ende eine Daumenrolle 14 im Eingriff mit einer Schleife 15, mit der auch die Rolle 6 zusammenwirkt. Die Schleife 15 ist durch einen Zapfen 16 teils mit einer Lenkstange 17, teils mit Gliedern 18 drehbar verbunden. Die Lenkstange 17 ist unten mit Gewinde versehen und trägt hier eine Mutter mit Handrad 21. Die Mutter wird durch eine Muffe 19 gesteuert, die in einem am Maschinengestell befestigten Lagerblock 20 gelagert ist. Die Glieder 18 sind durch Zapfen 22 mit dem Maschinengestell 1 drehbar verbunden.
Die Vorrichtung ist so aufgebaut, dass der Stahlbalken 4, der in waagrechter Richtung federt, eine geringe Vorspannung hat, welche bewirkt, dass die Rolle 6 gegen die schwach gekrümmte Schleife j ! J
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mit einem gewissen Druck gegen die Daumenscheibe 8 der Steuerwelle.'2 gehalten.
Die Vorrichtung wirkt wie folgt : Während des Ganges der Maschine passieren die Daumen 9 der Daumenscheibe 8 die Daumenrolle 10, so dass jede Umdrehung der Steuerwelle.'2 dem Hebel 11 drei Schwingungen hin und her erteilt, und diese Schwingungen werden durch die Rolle 14, Schleife 15 und Rolle 6 auf den Klotz 5 übertragen, der dadurch zusammen mit dem Stahlbalken 14 in Schwingungen versetzt wird. Die Daumen 9 der Daumenseheibe 8 sind so angebracht, dass die auf den Klotz 5 übertragenen Schwingungen gerade in einer Phase liegen, die der Phase der von den Führungsdrüeken herrührenden harmonischen Einwirkungen, die die aufzuhebenden Vibrationen bewirken, entgegengesetzt ist.
Treten Änderungen in der Belastung der Maschine auf, so wird es zweckmässig sein, die Grösse der Schwingungen des Klotzes 5 zu ändern, da die Grösse der Einwirkungen der von den Führungsdrücken herrührenden Vibrationen im wesentlichen Grade mit der Maschinenbelastung wechseln kann. Eine solche Änderung der Grösse des Ausschwunges des Klotzes 5 kann durch Drehung des Handrades 21 erzielt werden, indem man hiedurch die Lenkstange 17 und hiemit auch den Drehzapfen16 der Schleife 15 nach oben oder unten verschieben kann.
Die Grösse des von dem immer gleich grossen Ausschlag der Rolle 14 hervorgerufenen Ausschlages des Klotzes 5 hängt von der Lage des Zapfens 16 im Verhältnis zu den Rollen 14 und 6 ab, da die Schleife 15 als ein in einer gewissen Entfernung vom Drehzapfen von der Rolle J ? 4 beeinflusster einarmiger Hebel, der die Einwirkung in einer andern Entfernung vom Drehzapfen an die Rolle 6 weitergibt, betrachtet werden kann.
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Wenn die Belastung der Maschine wechselt, wechselt für gewöhnlich in einer Verbrennungskraft- maschine nicht nur die Grösse des Ausschlages der Vibrationen, sondern auch ihre Phase. Man kann dann bei voller Belastung bzw. beim Leerlauf entweder die Phase der Schwingungen des Klotzes 5 der mittleren Phase der Vibrationen entgegens. esetzt legen oder auch besondere Vorrichtungen benutzen, durch welche die Schwingungsphase der schwingenden Masse bei jeder Belastung der Phase der Vibrationen genau gegenüber gelegt werden kann.
Solche Änderungen der Phase können auf viele Weisen vorgenommen
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Systems phasenverschoben auf ein anderes System übertrafen werden, oder man kann eine Kettenverbindung von einer Welle der Maschine zu einer andern (im vorliegenden Falle z. B. die Steuerwelle 2)
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gegenseitige Versetzung der beiden Wellen geändert werden kann. Eine Verschiebung der Phase kann weiter durch irgendeine Einstellvorrichtung erreicht werden, wodurch die Daumenscheibe 8 im Verhältnis zur Steuerwelle versetzt werden kann.
Um zu vermeiden, dass die einzelnen Teile des Systems, durch die die schwingende Bewegung auf
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die Glieder 18 federnd gemacht sein.
In der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 bezeichnet 24 einen Teil des Maschinengestells und 25 die Hauptwelle der Maschine..'26 ist eine um einen festen Zapfen 27 im Maschinengestell drehbare Daumen-
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zwei schweren Schraubenfedern 35. Fig. 4, ruht, deren untere Enden mittels Federsteuerungen 36 mit einer am Maschinenfundament 37 festgeschraubten Bodenplatte 38 verbunden sind. Die Federn 35 haben ihren Platz in Aussparungen. 39 im Klotze. 34 und sind oben mit diesem mittels Federsteuerungen 40 verbunden. Der Klotz 34 wird mittels Rollen 41, Fig. 4. gefÜhrt, die zu beiden Seiten von Führungen 42 laufen, die aufrechte Teile der Bodenplatte 38 bilden.
Die Vorrichtung wirkt wie folgt : Während des Ganges der Maschine wird die Daumenscheibe 26 mittels der Kette 28 von der Hauptwelle 25 bewegt, wodurch dem Hebel 34 für jede Umdrehung der
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Daumen der Daumenscheibe 26, gegen die sie gedrückt wird. passiert wird. Die Schwingungen des Hebels 31 werden durch das Glied 33 auf den Klotz 34 übertragen, der dadurch in senkrechte Schwingungen versetzt wird, dass er während der Bewegung von den Rollen 41 und Führungen 42 geführt wird.
Die Versetzung der Daumenscheibe 26 in bezug auf die Kurbelwelle 25 ist derart bemessen, dass die Schwingungen, die der Klotz 4 ausführt, gerade dieselbe Periodenzahl haben wie die von den Beschleunigungskräften herrührenden harmonischen Einwirkungen, die die Vibrationen des Motorgestells, des Fundaments und der übrigen festen Teile verursachen. Die Ausschwingungen des Klotzes. 34 werden ferner so bemessen, dass die von diesem schwingenden System herrührenden Einwirkungen nicht nur den die Vibrationen bewirkenden Einwirkungen entgegengesetzt gerichtet sind, sondern auch dieselbe Grösse wie diese haben, wodurch erreicht wird, dass die Vibrationen zum Aufhören gebracht werden.
Bei dieser Anordnung ebenso wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 ist das schwingende System (Klotz 34 und Feder 35) derart abgestimmt, dass die Eigenschwingungszahl des Systems dieselbe wie die Periodenzahl der Vibrationen ist, so dass es möglich ist, die Bewegung des schwingenden Systems mit einem Mindestmass an Arbeit zu steuern.
Gegen Überbelastung der Vorrichtung beim Anlassen sichert man sich in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 und 2 durch Einschaltung eines federnden Gliedes, das hier von dem federnden Glied 33 gebildet wird.
In der Ausführungsform nach Fig. 5 bezeichnet 4 : 3 die Schraubenwelle eines Schiffes. 44 ist eine Kette, durch die eine in Lagern 46 gelagerte Welle 45 von der Schraubenwelle getrieben wird. Die Welle 45 ist mit einer Kurbel versehen, um die der Kopf 47 eines Gliedes 48 greift, das zweckmässig ebenso wie die Glieder 18 und 33 in den oben beschriebenen Ausführungsformen federnd gemacht ist. Der andere Kopf 49 des Gliedes ist durch einen Zapfen 50 mit einem Lager il in einem gusseisernen Klotz 52 verbunden, der mittels flacher Stahlbänder 53 od. dgl. nachgiebiger Aufhängungsmittel in festen Trägern 54 aufgehängt
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geführt.
Diese Aufhängungs- und Führungsweise ermöglicht es, dem Klotz 52 eine geringe hin-und hergehende Bewegung zu erteilen. 58 bezeichnet schwere Schraubenfedern, wovon vier vorhanden sind, die in Aussparungen 57 im Klotze 52 angebracht sind und sich mit ihren Enden teils gegen den Boden der Aussparung 57, teils gegen feste Federführungen oder Träger 59, 60 stützen. Zur Begrenzung der sehwin- genden Bewegung des Klotzes 52 sind Federpuffer 61, 62 auf zwei Bohrungen im Klotz 52 durchsetzenden
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des Schiffes bestimmt, welche Einwirkungen vom Druck des Wassers auf die Schraube herrühren.
Das Übersetzungsverhältnis für den Kettenzug 44 zwischen der Schrauberwelle 43 und der Welle 45 wird ebenso wie die gegenseitige Versetzung dieser Wellen so abgepasst, dass die hin-und hergehenden Schwin- gungen, die dem Klotze 52 während der Drehung der Schraubenwelle 43 beigebraeht werden, gerade dieselbe Periodenzahl haben wie die vom Druck der Schraube gegen das Wasser hervorgerufenen Rückwirkungen, während sie die entgegengesetzte Richtung haben.
Ausser dafür Sorge zu tragen, dass die Schwingungen des Klotzes 52 dieselbe Periodenzahl wie die Vibrationen des Schiffes und die ihnen entgegengesetzte Phase erhalten und dass die Eigenschwingungs- zahl des schwingenden Systems mit dieser Periodenzahl in Übereinstimmung ist, muss man die Grösse der Schwingungsausschläge so abpassen, dass die hiedurch erreichten Vibrationseinwirkungen auf das Schiff ebenso gross wie die aufzuhebenden Vibrations einwirkungen sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Aufhebung oder Herabsetzung der Vibrationen in Maschinenanlagen u. dgl., bei welcher zusätzliche Massen gleichzeitig mit der Bewegung der Maschine in Schwingungen gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausbalancierung bewirkenden schwingenden Massen in
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die Bewegung der Massen vom Antriebsorgan ans durch eine gegenüber allen gewöhnlichen Beanspruchungen feste Steuerung bewirkt wird.