Verfahren zum Begrenzen von Resonanzschwingungen, insbesondere für Kurbelwellen von Brennkraftmaschinen, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bei Brennkraftmaschinen können bekannt lich in der Resonanz und auch noch in der Nähe der Resonanz zwischen der Dreh Eigenfrequenz und der Frequenz der erre genden Drehkräfte so starke Drehschwingun gen der Wellen auftreten, dass die zusätz lichen ' Beanspruchungen .die Drehwechsel festigkeit des Werkstoffes überschreiten.
Für die Beseitigung dieser gefährlichen Schwingungen stehen verschiedene Mittel zur Verfügung. Schon beim Entwurf einer An lage ist man bestrebt, diese so auszuführen, dass der ganze Betriebsdrehzahlbereich frei von Resonanzen ist. Dies lässt .sich in gewis sen Grenzen durch geeignete Bemessung der Triebwerksteile des Motors und durch die gegenseitige Abstimmung sämtlicher Dreh massen und der sie verbindenden Wellenteile zum Beispiel unter Verwendung elastischer Kupplungen erzielen.
Mit der Zündfolge der einzelnen Zylinder, die beim Zweitaktmotor durch die Kurbelversetzung gegeben ist, beim Viertaktmotor aber auch für eine bestimmte Kurbelversetzung noch veränderlich ist, kön nen mit Ausnahme der sogenannten Haupt kritischen einzelne Oberschwingungen in ihrer Stärke beeinflusst werden.
Bei Motoren mit Fremdzündung ist es ausserdem noch möglich, die Stärke einer Drehschwingung durch Verlegen in ein Gebiet geringerer Be lastung zu mildern, @da bekanntlich - im Gegensatz zu Dieselmotoren - die Grösse der Schwingungserregenden der Grösse des mittleren Kolbendruckes annähernd verhäl- tig ist.
Wird jedoch von einem Motor verlangt, dass er über einen grossen Drehzahlbereich auch im Dauerbetrieb gefahren werden kann, oder ist es nicht möglich - z. B. aus Rück licht auf Gewichtsersparnis bei Flugmotoren und dergleichen, - die Triebwerks und Wel lenabmessungen entsprechend zu wählen, so kommt man ohne besondere Vorrichtungen zur Beseitigung gefährlicher Schwingungen nicht mehr aus. Durch den Einbau von Fe der- und Rutschkupplungen, von hydrau lischen Kupplungen oder von Kupplungen mit einer zusätzlichen Dämpfung lässt sich die Grundschwingung weiter beeinflussen.
Diese Kupplungen haben jedoch den Nach teil, dass sie aus räumlichen Gründen oder wegen ihres grossen Gewichtes oft nicht ver wendet werden können oder dass sie durch Erniedrigen der Oberschwingungen weitere Resonanzmöglichkeiten mit starken Erreger kräften zur Folge haben. In diesem Falle ordnet man besondere Schwingungsdämpfer an.
Der Aufbau solcher Schwingungsdämpfer beruht auf der Überlegung, dass ein aufs n, Massen bestehendes Schwingungssystem n-1 Eigenschwingungszahlen hat. Durch jede weitere elastisch angefügte Masse entsteht eine neue Eigenschwingungszahl, .die über der bisher höchsten liegt, während alle be reits vorhandenen Eigenschwingungen in ihrer Frequenz erniedrigt werden.
Die Lage der neuen Eigenfrequenz und die Verschie bung der übrigen sind von der Grösse dieser zusätzlichen Masse, von der Steifigkeit ihrer Verbindung mit den gegebenen Massen und von ihrer Lage zu diesen abhängig, wobei der Einfluss zum Beispiel an der Stelle des grössten Schwingungsausschlages am gröss ten ist.
Auf dieser bekannten Eigenschaft eines Mehrmassensystems bauen sich verschiedene Vorrichtungen auf, die eine Beseitigung oder Verminderung von Drehschwingungen durch Veränderung der Eigenschwingungszahlen -. teils ohne und teils mit zusätzlicher Dämp fung -erreichen. Es wird zum Beispiel bei den Drehzahlen, bei denen stärkere Dreh- schwinbg-ungen auftreten würden, durch eine willkürlich oder durch eine Steuerung selbst tätig ausrückbare Kupplung eine zusätzliche Masse an- bezw. abgekuppelt, so dass die kritischen Drehzahlgebiete gleichsam um- gangen werden können.
Der gleiche Erfolg wird erzielt, wenn die Drehelastizität der Verbindung zwischen den gegebenen Massen und der Zusatzmasse - nicht wie im vor hergehenden Fall zwischen o und o sondern in endlichen Grenzen - geändert; werden kann. Auch durch eine periodische Verände rung der Elastizität oder der Masse selbst kann ein Aufschaukeln verhindert werden.
Auf Grund von Versuchen und Erfahrun gen war man schliesslich zu der Ansicht ge kommen, dass nicht mir die innere Reibung der Vorrichtung, sondern auch die gekrümmte Federkennlinie für die Schwingungsbegren zung von Bedeutung sein muss.
Unter diese Vorrichtungen ist auch. ein aus einer Hülsenfederkupplung mit Schwung- masse bestellender Dämpfer zu rechnen, des sen Wirkung der gekrümmten Federkenn linie und dem grossen Dämpfungsvermögen der Hülsenfedern zugeschrieben wird.
Im Gegensatz hierzu geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass bei einem Mehr- niassensystein besondere Vorkehren zur Dämpfung überhaupt nicht erforderlich sind und dass nach- Überschreiten eines bestimmten Schwingungsausschlages - das heisst also bei Ausschlägen bis in den gekrümmten Teil der Federkennlinie - die gekrümmte Feder kennlinie in Verbindung mit den ohne beson dere Vorkehren vorhandenen dämpfenden Einflüssen schon ausreicht,
um die Resonanz zu stören und eine Begrenzung der Resonanz schwingungen herbeizuführen.
Die Erfindung betrifft daher ein Ver fahren zum Begrenzen voll Resonanzschwin gungen, insbesondere für Kurbelwellen voll Brennkraftmaschinen, und besteht darin, dass man einzelne Schwingmassen elastisch. nicht linear miteinander koppelt,
um die bei be stimmten Erregerfrequenzen auftretenden Resonanzen mit den Eigenfrequenzen durch den Einfluss wachsender Schwingungsaus- sehläge der elastisch nicht linear miteinander gekoppelten Schwingmassen in Verbindung mit den ohne besondere Vorkehren vorhan denen dämpfenden Einflüssen zu stören.
Mull kann zu dieseln Zweck bei einem melirg-liedrigen Masserisvstc in die einzelner. Massen (z. B. Creengewichte von Kurbel- j= wellen oder dergleichen) elastisch. miteinan der koppeln. Oder man kann eine Vorrich tung mit einer Schwingmasse und einer diese abstützenden Feder mit gekrümmter Kenn linie anordnen, um durch die wachsenden Schwingungsausschläge dieser Masse eine Verstimmung der Resonanz hervorzurufen, bevor die Resonanzschwingungen das zu lässige Mass überschritten haben.
Für die Vorrichtung ist jede Feder mit nicht linearer Kennlinie - z. B. auch eine solche aus Gummi oder einem ähnlich sich verhaltenden Stoff, auch von Gasen - mög lich, das heisst man ist in der Wahl der Fe der nicht mehr an bestimmte Ausführungs arten, gebunden, sondern kann sich in weitest gehendem Masse den Ein- und Anbaumöglich keiten in jedem Einzelfall anpassen.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch die Unabhängigkeit von einer zusätz lichen Dämpfung keine Energie vernichtet wird und dass keine Überwachung nötig ist, da keine einer Abnutzung unterworfenen, einer Zerstörung durch Überanspruchung oder einem Versagen durch Ausfall einer Zu satzeinrichtung wie zum Beispiel Schmierung oder durch Undichtwerden hydraulischer Einrichtungen ausgesetzten Bauteile verwen det werden müssen.
Auf der Zeichnung ist .der Erfindungs gegenstand in mehreren- Ausführungsbeispie len dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine an der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine befestigte Vorrichtung im Schnitt nach der Linie I-I von Fig. 2, Fig. 2 die Vorrichtung im Schnitt nach der Linie II-II von Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch die Vorrich tung nach der Linie III-III von Fig. 2, Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung im Schnitt nach der Linie IV-IV von Fig. 5, Fig. 5 die gleiche Vorrichtung im Schnitt nach der Linie V-V von Fig. 4, Fig. 6 die Kennlinie einer Schwingfeder und Fig. 7 die erzwungenen Ausschläge einer einfachen Vorrichtung. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ist an die Kurbelwelle 1 einer Brenn kraftmaschine ein Träger 2 für zwei als Fe derböcke wirkende Blöcke 3 angeflanscht.
Die einander zugekehrten Seiten der Blöcke 3 sind schwachballig geformt und tragen auf der innern Seite je eine Federspange 4, deren Enden zu beiden Seiten über die Blöcke 3 hinausragen. Die gekrümmten Flächen der Blöcke dienen für die Federspangen 4 als Abwälzflächen und zur Begrenzung der Fe derbeanspruchung.
Um. die oben geschilderte Anordnung ist konzentrisch eine ringförmige Schwingmasse angeordnet. Diese besteht zum Beispiel aus zwei im Abstand voneinander angeordneten Ringscheiben 5 und auswechselbaren Ge wichten 6. Ausserdem sind zwischen den bei den .Ringscheiben 5 auf Nadeln 7 gelagerte Rollen 8, 8a und 9, 9a angeordnet, gegen die sich die Federspangen 4 unter Spannung an legen; das heisst es wird die ganze Schwing masse über die Rollen 8, 8a und 9, 9a von den Federspangen 4 in der Umlaufrichtung gegen die Blöcke 3 elastisch abgestützt.
Durch mittlere Wälzlager 10 in einem Mittelsteg 5a der Ringscheiben 5 ist die kon zentrische Lage der ganzen Schwingmasse gesichert.
Ein ähnliches Ausführungsbeispiel zei gen die Fig. 4 und 5, wobei gleiche Teile wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 sind beim Ausführungsbei spiel nach Fig. 4 und 5 zwischen den Ring scheiben 5 an Stelle von vier kleineren zwei grössere, gegebenenfalls mehrteilige Aus tauschgewichte 6a vorgesehen. Die Blöcke 3 dienen in .diesem Fall nicht mehr als Feder böcke, sondern lediglich als Mitnehmer für die Schwingmasse. Dagegen ist zwischen den Mitnehmerblöcken 3 ein mittlerer Federträ ger 11 angeordnet, an .dem die Federspangen 4 befestigt sind.
Dieser ist ebenfalls mög lichst "reibungsfrei, z. B. durch ein Wälz lager 1? gelagert und besteht entweder aus einem Leichtmetall-Hohlkörper oder ist aus irgendeinem andern Werkstoff mehr oder weniger massiv hergestellt und wirkt dann als Zusatzmasse. Ausserdem stützen sich die Enden der Federspangen 4 an zusätzlichen Rollen 14, 14a ab, die an den Blöcken 3 in geordnet sind.
In beiden Ausführungsbeispielen sind die Achsen der paarweise angeordneten Rollen 8, 8a und 9, 9a und eventuell auch der Rol len 14, 14a in Schlitzen 1ä geführt und kön nen daher in verschieden grossen Abständen voneinander befestigt werden. Durch die Än derung der Rollenabstände wird die Vorspan nung der Federspangen 4 beeinflusst.
Für die Federspangen 4 sind zweckmässig reibungsfreie Federblätter etwa mit einer Kennlinie nach Fig. 6 verwendet. Die Feder spangen 4 können auch aus mehreren über einanderliegenden Federblättern zusammen gesetzt sein.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Tritt Resonanz einer bestimmten Erreger frequenz mit einer Eigenfrequenz des Systems ein, so werden die Ausschläge grö sser und damit bei progressiver Federung die Schwingzeiten kleiner, das heisst mit wachsendem Ausschlag tritt eine zunehmende Entfernung von der Resonanzlage ein. Die Schwingungen werden wieder kleiner und das Spiel. kann von neuem beginnen. Für eine erhöhte Erregerfrequenz wiederholt sieh der Vorgang bei einem grösseren Schwingungs ausschlag.
Da aber bei grösseren Schwin gungsausschlägen die Vorrichtung immer empfindlicher wird, das heisst schon kleine Veränderungen im Ausschlag eine verhält nismässig starke Verlagerung seiner Schwin- gungszeit hervorrufen, wird erreicht, dass die diesem Ausschlag zugeordnete Eigenfrequenz genügend weit von der Erregerfrequenz ab weicht, um ein Wiederaufschaukeln auszu schliessen.
In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 7 verwiesen. Dort ist als Abszisse das Verhältnis von Erregerfrequenz zu Eigen frequenz der Vorrichtung bei kleinem Aus schlag und als Ordinate der Schwingungs- ausschlag aufgetragen. Mit steigender Erre gerfrequenz nimmt der Schwingungsaus schlag nach der ausgezogenen Kurve durch D ständig zu, und zwar nähert er sich zuerst rasch und dann immer langsamer seinem grössten möglichen Wert. Eine frühere Be grenzung dieses Ausschlages ist an das Vor handensein einer Dämpfung gebunden, wie dies durch die strichpunktierte Kurve D-A angedeutet ist. Im Punkt A angelangt, wird die Schwingung dann plötzlich kleiner, das heisst der Ausschlag fällt auf den Punkt B.
Bei fallender Erregerfrequenz verläuft der Ausschlag nach der untern Kurve B-C und springt. von C nach D auf die Kurve bei stei gender Erregerfrequenz zurück. Wir haben also bis zum Frequenzverhältnis bei D einen stabilen und über diesem Verhältnis gleich sam einen labilen Schwingungszustand, der von der Grösse der Dämpfung abhängig ist.
Auf das Mehrmassensystem eines Motors übertragen, werden sich auch dort die Eigen schwingungen nicht über ein gewisses Mass aufschaukeln, wenn sieh durch eine Vergrö sserung des Schwingungsausschlages auch die Eigenfrequenzen des ganzen Massensystems erhöhen. Mit steigenden Eigenfrequenzen tre ten zunächst bei grösserem Schwingungsaus schlag wieder Resonanzmöglichkeiten ein, his der Schwingungszustand aus dem stabilen in den labilen übergeht. Dieser kann nun aber nicht nur durch die Dämpfung der Vor richtung allein, sondern vor allem auch durch Einwirkungen von der Motorseite her, sei es durch die im Motor vorhandene Dämpfung oder durch ungleiche Zündungen usw. gestört werden.
Da, der Schwingungsausschlag am Kur belwellenende durch. die Eigenschwingungs form der Vorrichtung beeinflusst wird, hängt er auch von der Grösse des geradlinigen Teils I (Fig. 6) der Federkennlinie ab. Man wird daher bestrebt sein, diesen geradlinigen Teil möglichst klein zu machen, was zum Beispiel bei der Vorrichtung nach Fig. 1 bis 3 durch eine Vergrösserung der Federvorspannung er zielt werden kann. An Stelle der bei den Ausführungsbei spielen gezeigten Federung kann jede ander weitige Federung benutzt sein, wie sie bereits in den drehfedernden Kupplungen angewen det werden.
Es wird in diesem Zusammen hang auf .die Spiralfeder-, Schraubenfeder-, Biegefeder-, Gummifeder-, Osen- und Schlan genfederkupplungen verwiesen. Die Erfin dung ist auch für die Begrenzung der Reso nanzschwingungen von Massensystemen ge eignet, die an Stelle der Drehbewegung eine pendelnde Schwingbewegung oder eine hin- und hergehende Bewegung ausführen, oder die sich auf einem Fundament in Ruhe be finden und fremd erregt werden.