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Anordnung zum Dämpfen von Torsionsschwingungen in Wellen.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Dämpfen oder Herabsetzung der Drehsehwingungen in Wellen, insbesondere Kurbelwellen in Brennkraftmaschinen.
Um gefährliche Drehschwingungen in Wellen zu vermeiden, hat man bisher Dämpfungsvorrichtungen benutzt, die z. B. aus Maschinenteilen bestehen, in welchen die Drehschwingungen dazu gebracht werden, eine Arbeit auszuführen, d. h. eine gewisse Strecke unter Überwindung eines Widerstandes, wie z. B. Reibung, Flüssigkeitsdruck, od. dgl. zurückzulegen. Diese bekannten Vorrichtungen leiden indessen an verschiedenen Nachteilen, da sie teils im allgemeinen recht verwickelter Bauart sind, so dass ihre Herstellung teuer wird, teils bewirken, dass die Maschine im ganzen einen schlechten mechanischen Wirkungsgrad bekommt, da sie einen Teil der der Kurbelwelle zugeführten Arbeit verbrauchen, der also nicht positiv verwertet wird.
Ferner ist die erzielte Dämpfung in vielen Fällen ungenügend, da die dämpfende Wirkung von der ausgeführten Arbeit abhängt, indem das Verhältnis so liegt, dass notwendig eine Sehwingungsarbeit einer gewissen Grösse ausgeführt werden muss, um die Dämpfung hervorzurufen. Eine Herab- setzung der Schwingungsarbeit auf Null durch diese bekanntenvorrichtungen wird daher praktisch nicht möglich sein.
Die vorliegende Erfindung benutzt einen ganz anderen Grundgedanken als die oben erwähnten bekannten Vorrichtungen, nämlich das Verhältnis, dass gefährliche Drehschwingungen nur dann auftreten, wenn Resonanz oder ungefähr Resonanz zwischen der Eigenschwingungszahl der umdrehenden Welle und ihrer Drehzahl herrscht. Erfindungsgemäss wird dann dafür gesorgt, dass die Welle während ihrer Umdrehung keine feste Eigenschwingungszahl hat, sondern dass diese immer wechselt.
Die Erfindung besteht in einer Anordnung der Art, wo eine Schwungmasse angewendet wird, die so mit der Welle verbunden ist, dass ihr Beitrag zu deren Eigenschwingungszahl während der Umdrehung der Welle sich verändert, und die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse derart angeordnet ist, dass die Steifheit oder Elastizität ihrerVerbindung mit derWelle und damit der Beitrag der Schwungmasse zur Eigenschwingungszahl der Welle sich kontinuierlich und periodisch während der Umdrehung der Welle verändert.
Zu näherer Erklärung dessen, was mit der Steifheit oder der Elastizität der Verbindung gemeint ist, wird folgendes ausgeführt :
Eine Welle in einer Brennkraftmaschine od. dgl. kann als ein System von Masse, verbunden durch elastische Wellenstücke, die die Massen in den Stand setzen, Torsionssehwingungen auszuführen, aufgefasst, werden. Die Schwingungszahl des Systems hängt nicht nur von der Grösse der Massen, sondern auch von der Steifheit der Wellenstücke ab.
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Theoretisch betrachtet, besteht die Erfindung also darin, dass dem schwingenden System eine veränderliche Eigenschwingungszahl mittels Ankupplung einer besonderen Schwungmasse durch ein
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Laut Erfindung verändert sich die Steifheit oder die Elastizität der Verbindung zwischen der
Welle und den Inertimassen, wie gesagt, während der Umdrehung der Welle, und diese Anordnung er- möglicht in einfacher und wirksamer Weise, dass die Eigenschwingungszahl der Welle kontinuierlich und periodisch zwischen zwei bestimmten Grenzen sich verändert.
Durch die Erfindung wird also erreicht, dass die Welle keine bestimmte Eigensehwingungszahl erhält, und dass sie nie in mehr als ganz kurzen, unterbrochenen Zeiträumen mit Eigensehwingungszahlen läuft, die mit ihrer Drehzahl harmonieren. Durch Wechseln der Eigenschwingungszahl wird erreicht, dass die Drehsehwingungen nie auf ihren vollen Ausschlag gelangen, so dass die Welle auch nicht so gefährlichen Zusatzspannungen ausgesetzt wird, wie es der Fall sein wurde, wenn ständige Resonanz herrsche.
Die Ausschläge stellen sich dagegen auf Grössen ein, die zwischen dem kleinsten und grössten Ausschlag dem Bereiche der Sehwingungszahlen entsprechend liegen, innerhalb deren die Eigenschwingungszahl der Welle sich ändert.
Laut Erfindung können die Welle und die Schwungmasse z. B. durch ein Stangen-und Kurbelsystem verbunden sein, das periodisch Totpunktstellungen einnimmt, und in welches ein federndes oder elastisches Glied eingeschaltet ist ; oder es kann eine federnde Anordnung, deren Elastizität oder Steifheit sich ändert, zwischen die Welle und die Schwungmasse eingesetzt werden.
Die Verbindung zwischen der Welle und der Schwungmasse kann z. B. derart verändert werden, dass die Veränderungen in der Eigenschwingungszahl der Welle während der Umdrehung der Welle einer sinusförmigen oder ähnlich geformten Kurve folgen, oder derart, dass die Veränderungen einer aus geraden Linienstucken zusammengesetzten Kurve folgen.
Die Erfindung ist auf der Zeichnung veranschaulicht. Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen Diagramme von Extraspannungen, die in einer Kurbelwelle infolge von Torsionssehwingungen entstehen ; die Fig. 4-7 stellen schematisch vier verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dar ; die Fig. 8 und 9 sind zwei zueinander senkrechte Schnitte durch eine fünfte Ausführungsform und die Fig. 10 und 11 zeis'en ent- sprechend Schnitte durch eine sechste Ausführungsform.
Unter Voraussetzung, dass die Welle sieh mit einer konstanten Umdrehungszahl dreht, wird die Veränderung in der Grösse des Drehmomentes Schwingungen in der Welle erzeugen. Die Grösse dieser Schwingungen ist von dem Verhältnis zwischen der Eigenschwingungszahl der Welle und der Periode für die Veränderungen des Drehmoments abhängig. Die Grösse der Extraspannungen in der Welle hängt somit auch vom genannten Verhältnis ab. Die grössten Spannungen treten ein, wenn die Variationen im Drehmoment in Resonanz mit der Eigenschwingungszahl der Welle sind. In dem theoretischen Fall einer Welle ohne Dämpfung ist die Maximalspannung unendlich, in der Praxis jedoch, wo es sieh um die Kurbelwelle in einer Kolbenmaschine dreht, bewirkt die dämpfende Wirkung der mechanischen Friktion, dass die Maximalspannung einen Höchstwert erhält.
Gewöhnlich hat man eine Welle mit einer bestimmten Eigensehwingungszahl, welche Welle von einem Drehmoment mit weehselnder Periode beeinflusst wird. Im Gegensatz hiezu kommt hier eine Welle in Betracht, deren Eigensehwingungszahl laut Erfindung kontinuierlich verändert wird, während die Periode für die Veränderungen des Drehmoments oder die Umdrehungszahl der Maschine konstant gehalten wird.
Übereinstimmend hiemit sind die Eigensehwingungszahlen der Welle als Abszissen im Diagramm in Fig. 1 gezeigt, während die Spannungen einer bestimmten Umdrehungszahl der Maschine entsprechend als Ordinaten für die verschiedenen Werte der Eigensehwingungszahlen gezeigt sind, wodurch die Kurve k erhalten wird. Diese Kurve ist für Eigenschwingungszahlen, die zwischen etwa 3000 und 3600 Schwingungen per Minute liegen, eingezeichnet worden.
Die Drehungsspannungen haben ihren Maximalwert, nämlich etwa 3000 kgjcm2, wenn die Eigenschwingungszahl 3300 ist, unter Voraussetzung, dass bei dieser Eigensehwingungszahl Resonanz mit der Umdrehungszahl der Welle besteht.
Es wird angenommen, dass erfindungsgemäss in Verbindung mit der Welle veränderliche Schwungmassen so angebracht sind, dass die Eigenschwingungszahl sieh zwischen 3125 und 3350 ändern kann.
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gungszahl über einen grösseren Bereich wechseln, z. B. zwischen 3050 und 3450 Schwingungen in der Minute, indem die Schwingungen während der Umdrehung nach der sinusförmigen Kurve tin Fig. 3 wechseln, so stellen die Zusatzspannungen in der Welle sich auf einen Mittelwert von etwa 400 /c ? M ein, der in Fig. 1 gezeigten waagrechten Linie b entsprechend.
Die Kurve M in Fig. 2, wo die Ordinaten und Abszissen die gleichen wie in Fig. 3 sind. entspricht solchen bekannten Anordnungen, bei denen Inertimassen periodisch plötzlich an die Welle an-bzw. abgekuppelt werden. Die Welle läuft dann abwechselnd mit den Eigenschwingungszahlen 3125 und 3350,
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wobei der Übergang von der einen zur anderen Eigenschwingungszahl plötzlich geschieht.
Dadurch, dass man die Eigenschwingungszahl in dieser Weise sich verändern lässt. wird die Wirkung erreicht, dass die Welle mit jeder der beiden Grenzeigenschwingungszahlen in Zeiträumen von einer gewissen, begrenzten Dauer läuft, so dass genügend Zeit vorhanden ist, dass der Schwingungsausschlag hohe Werte erreichen
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Die Veränderung der Eigenschwingungszahl nach einer Kurve wie die Kurve u in Fig. 2 kann daher in gewissen Fällen Nachteile mit sich führen.
Laut Erfindung kann die Eigensciwingungszahl indessen auch vorteilhaft nach einer Kurve ver- ändert werden, die aus geraden Linienstüeken zusammengesetzt ist, wenn die Kurve zickzackförmig ist, z. B. wie die Kurve v in Fig. 3, in welchem Fall kein Zeitraum von endlicher Länge vorhanden ist. in welcher die Welle mit einer bestimmten Eigenschwingungszahl läuft.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Anordnung laut Erfindung wird die Inertimasse durch ein drehbar auf der Welle angebrachtes Schwungrad ! ausgemacht. An der Welle ist ein Arm 2
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können. Diese Gleitklötze haben radiale Aussparungen, worin Blattfedern 26 gleiten können, deren äussere Enden am Kra. nze des Schwungrades befestigt sind. Die Gleitklötze 25 sind durch Glieder 21 mit ausserhalb der Welle angebrachten, feststehenden Kurbeln 22 verbunden. Während der Umdrehung der Welle drehen sich die Glieder. M um die Kurbeln 22, wodurch die Gleitklötze 25 in den Kulissenführungen 24 hin und her bewegt werden.
Das Schwungrad 1 wird bei der Umdrehung der Welle mitgenommen, indem die Bewegung durch die Blattfedern 26 übertragen wird, aber zufolge der hin und her gehenden Bewegung der Gleitklötze 25 wechselt die Länge der Strecke der Blattfedern, durch die die Bewegung übertragen wird, immer, so dass die Steifheit der Verbindung zwischen der Welle und dem Schwungrad also immer während der Umdrehung wechselt. Dieses Wechseln entspricht im Verhältnis zur Welle einer immer wechselnden Verlängerung und Verkürzung derselben mit daraus folgenden Änderungen ihrer Eigenschwingungszahl.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, wo an dem auf der Welle drehbar angebrachten Schwungrad 1 die äusseren Enden zweier Federn 41 befestigt sind, zwischen deren einander zugekehrten Enden ein Ende eines Armes 40 festgehalten wird, dessen anderes Ende mittels eines Zapfens 40a drehbar auf dem Schwungrad 1 angebracht ist. Der Arm 40 besitzt Führungsleisten 4 : 2, zwischen denen ein Gleitklotz 43 sich bewegen kann. Der Gleitklotz 43 ist mittels eines Zapfens 44 drehbar mit einem Winkelhebel 45 verbunden, der mittels eines Zapfens 46 drehbar auf dem auf der Welle festgekeilten Arm : 2 angebracht
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eingreift.
Die Vorrichtung wirkt in ähnlicher Weise wie die in Fig. 4 dargestellte, indem die bewegung von der Welle auf das Schwungrad durch den Arm 2, Winkelhebel 45, Gleitklotz 43, Arm 40 und die Feder 44 übertragen wird ; der Druck durch die Feder 41 wird je nach der Lage des Gleitklotzes 43 auf dem Arm 40 grösser oder kleiner.
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Kurbeln 32, 34 sind gleichlaufend und gleich lang. 35 ist ein in das Gestänge 33 eingeschaltetes federndes Glied. Diese Verbindungsvorrichtung wirkt wie. eine veränderliche Kupplung, indem die Winkellage des federnden Gliedes im Verhältnis zum Halbmesser der Kurbel sich während der Umdrehung der Welle
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kommt.
In der auf der Zeichnung dargestellten Lage ist das Schwungrad völlig an die Hilfswelle 30 gekuppelt, so dass es deren Bewegung vollständig folgt. In einer 900 von der gezeichneten Lage ab, veidlcn- den Lage der Kurbeln ist das Schwungrad dagegen nicht mit der Hilfswelle 30 zusammengekuppelt. indem diese in dieser Lage kleine Bewegungen aus der genannten Lage ausführen kann, die nicht auf das Schwungrad übertragen werden. Die Ein-und Ausrüekung der Kupplung zwischen Welle und Schwung- rad geschehen, wie gesagt, allmählich, so dass die Eigensehwingungszahl nach einer kontinuierlichen Kurve durch die zwischen den beiden Grenzwerten liegenden Werte wechselt.
Die Ausführungsform nach Fig. 7 ist ähnlicher Art wie die in Fig. 6 dargestellte. Auf der Welle 80 ist ein Arm 2 festgekeilt, der in seinem äusseren Ende das Lager einer Welle 47 bildet. Diese trägt auf
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Welle 80 angebrachten Schwungrad 1 verbunden ist. Wenn die Welle 80 sich dreht, nimmt sie den Arm. 2 mit, und das Zahnrad 48 rollt auf dem feststehenden Zahnrad 49, wodurch die Kurbel 50 in Umdrehung versetzt wird. Hiedurch wird die Feder 52 dazu gebracht, während der Umdrehung der Welle alle möglichen Winkellagen im Verhältnis zum Halbmesser zum Zapfen 53 einzunehmen. In den Lagen, wo die
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Feder 52 senkrecht zum genannten Halbmesser steht.
Das Schwungrad wird somit während einer Umdrehung der Welle mehrere Male aus-und eingerückt, wobei jedoch ein allmählicher Übergang vom voll-
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wechselt daher nach einer kontinuierlichen Kurve.
Bei der in Fig. 8 und 9 gezeigten Konstruktion ist das Schwungrad 1 frei drehbar auf einer Büchse 54 angebracht, die an der Welle 80 (Fig. 9) festgekeilt ist. In einem Stück mit der Büchse 54 sind drei doppelte Zylinder 20 gegossen, und in diesen sind mit Pleuelstangen oder Verbindungsstangen 57 versehene Kolben 56 angeordnet. Die äusseren Enden dieser Stangen sind an Zapfen 58 im Schwungrad befestigt, und zwischen diesem letzteren und der Welle ist eine federnde Verbindung mittels Federn 59 hergestellt, welche Federn zwischen Schultern an den Kolben 56 und an den Zylindern 20 angebracht sind. Weiter befindet sich zwischen dem Schwungrad und der Welle eine Verbindung hydraulischer Art wie unten beschrieben..
In der zentralen Ausbohrung der Büchse 54 ist ein Kolben oder ein Schieber 60 angebracht, der mittels eines Kragens 76 und Zapfen 77 mit dem Deckel 18, 79 am Gehäuse 81 des Schwungrades derart verbunden ist, dass der Schieber 60 sich nicht im Verhältnis zu diesem Gehäuse drehen kann.
Längs des Umfanges des Schiebers 60 ist eine Anzahl Taschen oder Aussparungen 61 gebildet.
Von den inneren Räumen 55 der Zylinder 20 führen Kanäle 62 zur Ausbohrung der Büchse 54, so dass jedes Paar Kanäle 62 durch die Taschen 61 in Verbindung untereinander kommen kann, siehe Fig. 9. Die Seitenkanten 64 der Tasehen sind abgerundet, so dass die Verbindung zwischen einer Tasche 61 und einem Kanal 62 während der Rotation der Welle gradweise zuwege gebracht und abgeschnitten wird.
In den Zylinderräumen 55, den Kanälen 62 und den Taschen 61 befindet sich eine Flüssigkeit, z. B. 01, wobei Mittel vorgesehen sind (nicht auf der Zeichnung gezeigt), um die genannten Räume und
Kanäle mit der Flüssigkeit gefüllt zu halten. Die Büchse 54 und die Zylinder 20 rotieren zusammen mit der Welle 80. Wenn die Büchse 54 sich in der in Fig. 8 gezeigten Stellung im Verhältnis zu den Taschen 61 im feststehenden Schieber 60 befindet, ist die Welle 80 steif an das Schwungrad 1 gekuppelt, da die in den Zylinderräumen eingeschlossene Flüssigkeit wie eine steife Kupplung zwischen den Zylindern 20 und den Kolben 56 wirkt.
Wenn die Welle sich aus der gezeigten Stellung dreht, wird eine gradweise Verbindung zwischen den Zylinderräumen 55 in jedem Paar zusammenhängende Zylinder hergestellt, und wenn die Verbindung zwischen den Kanälen 62 ganz offen ist, ist das Schwungrad nur an die Welle 80 durch die federnde Kupplung 54, 56-59 gekuppelt. Während der weiteren Rotation der Welle wird die Verbindung zwischen den Zylindern gradweise abgesperrt, bis sie schliesslich ganz aufhört. Auf diese Weise wird das Schwungrad 1 mit der Welle 80 durch eine Kupplung verbunden, deren Steifheit kontinuierlich und periodisch mit der Rotation der Welle wechselt, indem die Steifheit zwischen einem Wert, der einer vollständig steifen hydraulischen Kupplung entspricht, und einem Wert, der von der Steifheit der Federn 59 abhängt, wechselt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 und 11 ist das Schwungrad 1 ebenfalls drehbar um die Nabe 54 eines auf der Welle 80 festgekeilten Armes 2 angebracht. Dieser bildet Lager 6 ? für einen Zylinder 65, der aus zwei Teilen besteht, die zusammengeschraubt sind, indem die beiden einander zugekehrten Enden, wovon eines um das andere greift, mit Gewinde 66 versehen sind. Durch die Zusammenschraubung der beiden Teile des Zylinders 65 wird ein auf der Mitte einer Blattfeder 69 ausgeformter
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Blattfeder 69 hat an jedem ihrer Enden ein Auge 70, welche Augen mittels Bolzen 71 in Büchsen 72 festgehalten werden, die drehbar in Lagern 73 im Schwungrad 1 angebracht sind.
Der Zylinder 65 hat an einem Ende ein Kegelrad 74 im Eingriff mit einem koaxial mit der Welle 80 angebrachten, feststehenden und also nicht an der Umdrehung der Welle 80 teilnehmenden Kegelrad 75. Während der Umdrehung der Welle 80 werden der Arm 2 und Zylinder 65 mitgenommen, und zufolge der Verbindung zwischen dem Schwungrad 1 und der Welle 80 durch die Blattfeder 69 wird die Bewegung auf das Schwungrad 1 übertragen. Während der Umdrehung der Welle 80 rollt das Kegelrad 74 auf dem Kegelrad 75, wodurch der Zylinder 65 in Umdrehung um seine Achse versetzt wird.
Folglich steht die Blattfeder bald gleichlaufend mit, bald senkrecht zur Umdrehungsebene des Schwungrades 1, so dass die Bewegung wechselweise durch ein steifes Glied, nämlich wenn das Blatt der Blattfeder gleichlaufend mit der Umdrehungebene steht, und bald durch ein nachgiebiges, federndes Glied, nämlich wenn das Blatt senkrecht zur Umdrehungsebene steht, übertragen wird, und zwischen diesen beiden Grenzfällen gibt es sanfte Übergänge, so dass die Eigenschwingungszahl der Welle sanft zwischen zwei Grenzwerten wechselt, indem sie während jeder Umdrehung eine gewisse, vom Verhältnis zwischen den Zahnanzahlen der beiden Kegelräder abhängige Anzahl Male durch die dazwischenliegenden Werte passiert.
Die Erfindung ist nicht an die gezeigten und beschriebenen Bauarten gebunden, sondern kann auf viele andere Weisen ausgeführt werden, ohne dass von ihrem Grundgedanken abgewichen wird.
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