<Desc/Clms Page number 1>
Einrichtung zur Verhütung von Schwingungen, vorzugsweise Rattersehwingungen bei Einzel- achsantrieben mit Wechselstrommotoren.
Man hat beobachtet, dass bei Antrieben mit Wechselstrommotoren unter Umständen Schwingungen auftreten können, die kürzere oder längere Zeit mehr oder weniger stark in Erscheinung treten und den Betrieb mit solchen Motoren ungünstig beeinflussen. Durch solche Schwingungen wird nicht nur der antreibende Motor selbst in Mitleidenschaft gezogen, sondern auch die ihn umgebenden Massen, beispielsweise seine Aufhängung od. dgl., können in Mitschwingungen geraten, die bei Eintritt von Resonanz gefährliche Ausmasse annehmen. Bei den hier auftretenden Schwingungen handelt es sich meist nicht um solche einfacher Art, sondern diese sind oftmals aus verschiedenartigen Schwingungen, beispielsweise Biege-und Drehschwingungen od. dgl., zusammengesetzt, wobei ausserdem noch harmonische und nichtharmonische bzw. subharmonische Schwingungen auftreten können.
Im folgenden sollen die Schwingungsverhältnisse bei von Wechselstrom-Reihenschlussmotoren angetriebenen Fahrzeugen mit Tatzenlageraufhängung der Motoren näher untersucht werden. Bei derartigen Fahrzeugantrieben treten vor allem auch die durch Überlagerung mehrerer Schwingungen entstehenden Ratterschwingungen auf, die bei Antrieb des gleichen Fahrzeuges mittels Gleichstrommotoren nicht beobachtet werden. Dieser Umstand allein rechtfertigt die Annahme, dass die Art der Erregung der Motoren und gewisse weitere Voraussetzungen für das Auftreten von Ratterschwingungen von Bedeutung sind.
Unter Rattern sollen hauptsächlich die mechanischen Erschütterungen und Schwingungen des Drehgestelles verstanden werden, die sich infolge ihres erheblichen Anteiles über das Laufrad auf die Schienen und durch die Aufhängung des Motors auf den Wagenkasten übertragen. Beobachtungen haben gezeigt, dass das Rattern vornehmlich beim Anfahren auftritt, nach Erreichen einer ausreichenden Geschwindigkeit jedoch wieder abnimmt. Die bisher gebräuchliche Verwendung eines gefederten Zahnrades zwischen Ritzel und Treibrad ist nicht geeignet, das Rattern zu unterdrücken, sondern günstigstenfalls nur abzukürzen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Rattern bei Überlagerung mehrerer verschiedenartiger Schwingungen auftritt, zu deren Dämpfung oder Aufhebung ein Kraftspeicher, beispielsweise eine Feder, allein nicht geeignet ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Ursache für das Auftreten von Ratterschwingungen bei einem Tatzenlagermotor und seiner Aufhängung darin zu sehen ist, dass der Motor und seine mechanische Umgebung eine Reihe von verschiedenen Schwingungssystemen darstellen, die miteinander gekoppelt sind und hauptsächlich durch das schwankende Drehmoment des Läufers zu Schwingungen angeregt werden. Diese Schwingungen treten nach neueren Untersuchungen besonders dann stark auf, wenn die mechanische Eigenschwingung des Läufers, sei es die Biege-oder Drehschwingung, mit der erregenden Wechselstromfrequenz oder einem Mehrfachen derselben übereinstimmt, während man bisher für das Auftreten von Ratterschwingungen ein Spiel im Zahnrad als notwendige Voraussetzung angesehen hatte.
Ratterschwingungen können durchaus auch dann auftreten, wenn an der Übertragungsanordnung weder ein Zahnrad noch ein Ritzel vorhanden ist, sondern lediglich der unmittel- bar mit der Welle über das Getriebe gekuppelte Motor. Dass bei Spiel im Zahnrad solche Schwingungen vergrössert werden, ist leicht verständlich. Dieses Spiel ist aber nicht die Ursache für deren Auftreten.
<Desc/Clms Page number 2>
Betrachtet man zunächst den Läufer und die Aufhängung des Motors am Rahmen, so ergeben sich schon zwei Sehwingungssysteme, von denen das eine aus der Läufer-und der Ständermasse besteht, mit der Elastizität der Welle als Steifigkeit. Das zweite System besteht aus der Motormasse und der Masse des Aufhängerahmens sowie den Aufhängefedern. Es sind also zumindest zwei Schwingungs- systeme mit verschiedener Eigenschwingung vorhanden. Dieser Umstand beweist schon, dass zwei Frequenzen des antreibenden Motors mit diesen Eigenschwingungen in Resonanz geraten können.
Hienaeh könnte unter Umständen die Frequenz des antreibenden Motors mit der einen oder der andern Schwingung in Resonanz geraten und damit zu erheblichen Ausschlägen führen. Zur Verhütung solcher Schwingungen ergibt sich daher die Forderung, ein Auseinanderschieben der Frequenzen und die Erzielung bestimmter Dämpfungen der Schwingungssysteme bzw. ein Angleichen der Dämpfungen zu erwirken. Des weiteren ist zu berücksichtigen, dass der Aufhängerahmen des Motors als solcher in sich nicht fest und daher wieder ein Schwingungsgebilde darstellt. Es bestehen daher eine Fiille von
EMI2.1
weil dann Masse und Elastizität derselben nicht mehr getrennt wirksam sind, sondern willkürlich Anteil an der Erzeugung der Schwingungen haben.
Darüber hinaus sind ausser den Biegeschwingungen der Systeme noch Drehschwingungen zu berücksichtigen und der Umstand, dass die Steifigkeit durchaus keine gleichbleibende ist, sondern z. B. durch die negative Steifigkeit des Magnetfeldes beeinflusst wird. Es treten ausser den vom Aus-
EMI2.2
auf, deren Resonanz nicht bei einer gleichbleibenden Frequenz liegt, sondern sich in Abhängigkeit vom Ausschlag bzw. vom Strom ändert.
Bei einer genaueren Untersuchung der Schwingungsverhältnisse ergibt sieh, dass eine allgemeine Lösung nicht möglich ist, dass man jedoch mit einer Näherungslösung auskommt, wobei auch das Auftreten der sogenannten Subharmonischen berücksichtigt wird, d. h. von Frequenzen, die der halben Schwingungszahl der erregenden Schwingung entsprechen.
Es ergibt sich hiebei, dass man vorteilhafterweise die Eigenschwingungen des Läufers im gekoppelten Zustande so hoch legen muss, dass diese entweder grösser als 4 ib oder kleiner als 2/3 fb wird, wobei unter ib die Frequenz der Betriebwechsel-
EMI2.3
achsantrieben mit in Tatzenlageraufhängung an den angetriebenen Achsen angeordneten Wechselstrommotoren die Schwingungen, insbesondere Rattersehwingungen, zu unterdrücken. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Kopplung des Antriebsmotors mit dem umgebenden mechanischen Aufbau durch eine geeignete Wahl einerseits der Längen der zur Kraftübertragung dienenden Glieder (Wellen u. dgl.
), anderseits der Massen der aktiven Motorteile und des zur Motoraufhängung dienenden Rahmens sowie der Anordnung dieser Teile oder aber durch Erhöhen des Trägheitsmomentes und zusätz- liche Kraftspeicher oder auch durch Verringerung der erregenden Kräfte derart beeinflusst wird, dass die Frequenz der mechanischen Drehschwingungen ausserhalb der Frequenz der mechanischen Biegesehwingungen des Läufers, aber oberhalb oder unterhalb der Betriebsfrequenz des Antriebsmotors liegt.
Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, dass auch Massnahmen elektrischer Art, die das Pendeln des Läufers verringern, vorteilhaft zum Vermindern des Ratterns beitragen. Wesentlich ist demnach für die Erfindung, dass sowohl der Motor wie die gesamten übrigen Teile der Antrieb, ordnung im Hinblick auf die Sohwingungsmöglichkeiten aller dieser Teile zusammen eine solche Ausbildung erhalten, dass das Auftreten von Schwingungen, insbesondere der gefürehteten Rattersehwingungen, vermieden wird.
Infolgedessen gehen die zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe vorgesehenen Massnahmen weit hinaus über diejenigen Massnahmen, die dann erforderlich sind, wenn bei einzelnen Maschinen Eigenschwingungen dieser Maschine verhindert werden sollen. Dass man bei einzelnen Maschinen durch geeignete Massenverteilung Eigenschwingungen der Maschinen unterdrücken kann, ist an sich bereits bekannt.
An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll gezeigt werden, wie der Aufbau eines Motors ausgebildet werden müsste, um ein schwingungsfreies, insbesondere ein Ratter- schwingungen verhütendes Antrieborgan zu erhalten. In Fig. 1 ist der Anker eines mit zwei Ritzeln R1, R2 versehenen Wechselstromantriebsmotors dargestellt. Die Breite der zur Kraftübertragung vorgesehenen Ritzel sei mit b bezeichnet. Auf der Welle TV ist die Masse 1 des Ankers mittels des Keiles K befestigt. Die wirksamen Kopplungslängen seien mit j ! bezeichnet.
Angenommen, der Anker sei abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausführung mit nur einem Ritzel Rl ausgerüstet und nur ein Keil in der Wellenmitte vorgesehen, dann ist die Läufermasse mit der Welle über
EMI2.4
zu erfüllen, dass man den Motor nicht nur mit einem Ritzel versieht, sondern mit einem doppelseitigen Antrieb, also mit zwei Ritzeln. Bei einer solchen Anordnung wäre die Läufermasse jeweils über eine
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
noch um etwa weitere 20% erhöht werden.
Vorteilhafter wäre es daher, den doppelseitigen Antrieb etwa so auszubilden, wie in Fig. 2 dargestellt, nämlich zwei Ritzel vorzusehen, die bei gleicher Wellendieke verschiedene Kräfte übertragen, da hiebei die Massen an verschiedenen Längen wirksam sind. Durch die ausmittige Anordnung des Keiles K1 wird eine unsymmetrische Kopplung der Massen erzielt und die wirksamen Wellenlängen
EMI3.2
so liegen nunmehr die Kopplsehwingungen für eine Anordnung gemäss Fig. 2 z. B. bei 60 bzw. 130%.
Man hat jetzt also zwei Schwingungen der Welle, die man so legen kann, dass die Betriebsfrequenz zwischen diesen b ? iden liegt, so dass durch die elektrische Schüttelschwingung kein mechanisches Rattern erzeugt werden kann.
Es wäre durchaus denkbar, statt der ausmittigen Anordnung des Keiles gemäss Fig. 2, auch den Keil in der Mitte anzuordnen, jedoch müsste zur Erzielung der gleichen Wirkung das Trägheitsmoment der Welle nach beiden Seiten hin verschieden gemacht werden. Will man die tiefe Eigenschwingung bei etwa 85% vermeiden und diese etwa auf den gleichen Wert wie die höhere bringen, dann liesse sich dies dadurch erreichen, dass man in der Anordnung gemäss Fig. 2 an der mit K bezeichneten Stelle einen zweiten Keil vorsieht.
Wie bereits erwähnt, kann durch Änderung des Trägheitsmomentes der Welle die Schwingneigung einer solchen Anordnung beeinflusst werden. Das Trägheitsmoment des Läufers könnte, beispielsweise durch Änderung des Trägheitsmomentes der tragenden Welle, beeinflusst werden. Das Trägheitsmoment des Läufers konnte zweckmässig dadurch erhöht werden, dass man statt einer vollen Welle eine Hohlwelle verwendet. Die letztere wird vorteilhafterweise so ausgebildet, dass bei geringstem Gewicht das grösste Widerstandsmoment erreicht wird. Diese Forderung liesse sich beispielsweise so erfüllen, dass man unter Berücksichtigung der erforderlichen Biegefestigkeit die Wandstärke der Hohlwelle so schwach wählt, dass man dem Höchstwert des auf das Gewicht der Welle bezogenen Trägheitsmomentes möglichst nahekommt.
Beträgt der Durchmesser der massiven Welle in der Anordnung gemäss Fig. 3 D'und der Durchmesser der Hohlwelle D, so ergibt sich die Wandstärke s = x. D
EMI3.3
EMI3.4
EMI3.5
EMI3.6
das Gewicht der gleichen Anordnung mit massiver Welle zu überschreiten, dazu benutzt werden, eine grössere Masse am Umfang des Läufers anzuordnen, um die Schwungmasse zu erhöhen.
Um der Bedingung gerecht zu werden, dass die Biegeschwingung oberhalb der vierfachen Betriebsfrequenz und die Drehschwingung etwa unterhalb 2/3 der Betriebsfrequenz zu liegen kommt, kann der mechanische Aufbau des Antriebsmotors beispielsweise so ausgebildet werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Welle des Motors wird als Hohlwelle H mit grossem Durchmesser ausgebildet, auf der das aktive Material und der Kollektor angeordnet sind. Diese Anordnung ist sehr steif und besitzt daher grosse Biegefestigkeit. Die Drehsteifigkeit wird hier zweckmässig so gewählt, dass sie in Verbindung mit der Motormasse eine tiefe Eigenschwingung liefert und doch das Drehmoment zn übertragen vermag.
Erreicht kann dies durch Anordnung eines Kraftspeichers, gleich welcher Art, werden, beispielsweise einer Blattfeder F, die im lichten Raum der Hohlwelle untergebracht ist (vgl. Fig. 4).
Eine weitere Massnahme zur Verminderung der Übertragung sehwankender Drehmomente auf das Ritzel und damit auf den Antrieb besteht darin, dass man den Läufer mit grosser Masse
EMI3.7
wäre zu erwägen, den Läufer etwa, wie in Fig. 5 gezeigt, in der Form a auszubilden, d. h. diesen bewusst mit grossem Durchmesser zu versehen. Im Bedarfsfall könnte jedoch auch der Läufer mit üblichem kleinen Durchmesser durch Einbau von Stoffen hohen spezifischen Gewichts in das aktive Material den zu stellenden Anforderungen gerecht werden, sofern, allgemein betrachtet, das Verhältnis des Trägheitsmomentes zum schwankenden Drehmoment möglichst gross wird.
<Desc/Clms Page number 4>
Unter Umständen kann es erwünscht sein, die Eigenschwingung tiefer zu legen als 2/3 der Betriebsfrequenz. Dies wäre mit einer Anordnung nach Fig. 6 zu erreichen. Das Drehmoment des Antriebsmotors wird hiebei durch die Ritzel Ri und R2 auf die Triebräder Ti und T2 übertragen, die ihrerseits mit den Laufrädern LI und L2 fest verbunden sind. Der Antriebsmotor selbst ist in einem bügelförmigen Rahmen B federnd aufgehängt, so dass jetzt das Motorgehäuse selbst kleine, durch das wechselnde Drehmoment verursachte Schwingungen auszuführen vermag.
Auf den Läufer wirkt sieh nunmehr im wesentlichen nur das mittlere Drehmoment aus, während die schwankenden Kräfte am gefedert aufgehängten Motorgehäuse angreifen und nicht auf das Ritzel und die weitere mechanische Umgebung der Anordnung übertragen werden. In der Prinzipzeichnung sind der Einfachheit halber die in der Anordnung etwa vorzusehenden Kraftspeicher F durch Kreuze angedeutet.
Des weiteren sei darauf hingewiesen, dass es zur Unterdrückung von Schwingungen ratsam ist, auch die schwingungserregenden Kräfte kleiner zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass nach Möglichkeit durch die Ausbildung des elektrischen Antreibsmotors das Auftreten negativer Momentkomponenten verhindert wird. Zu diesem Zwecke kann die Erregung des Feldes bei gleichzeitiger Vergrösserung des Luftspaltes zwischen Ständer und Läufer verstärkt werden. Dies hat zur
EMI4.1
aufgehoben wird.
Die Einrichtung ist geeignet zur Bekämpfung von Schwingungen bei mit Wechselstrommotoren angetriebenen Anordnungen gleich welcher Art.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Verhütung von Schwingungen, vorzugsweise Ratterschwingungen, bei Einzel-
EMI4.2
motoren, insbesondere für Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung des Antriebsmotors mit dem umgebenden mechanischen Aufbau durch eine geeignete Wahl einerseits der Längen der zur Kraftübertragung dienenden Glieder (Wellen u. dgl. ), anderseits der Massen der aktiven Motorteile und des zur Motoraufhängung dienenden Rahmens sowie der Anordnung dieser Teile oder aber durch
EMI4.3
halb der Betriebsfrequenz des Antriebsmotors liegt.