DD263332A1 - Verfahren und einrichtung zur schwingungsdaempfung und zur erhoehung der dynamischen steife - Google Patents

Abstract

Verfahren und Einrichtung zur Schwingungsdaempfung und zur Erhoehung der dynamischen Steife von Gegenstaenden, insbesondere von bewegten oder unbewegten Maschinenteilen, wie Wellen, Ausbohrspindeln, Fraesspindeln, Schleifspindeln, Werkzeugen wie Ausbohrstangen, Drehmeissel und anderen technischen Einrichtungen. Das Ziel der Erfindung besteht insbesondere darin, die Daempfung von Gegenstaenden und damit ihre dynamische Steife auf mindestens das 2- bis 5-fache zu erhoehen. Erfindungsgemaess wirkt auf den jeweiligen Gegenstand, im Bereich des groessten Schwingungsausschlages, ueber einen elastischen Koerper mindestens eine Kraft durch ein Zusatzsystem. Die Einrichtung sieht dafuer vor, dass das die Kraft ausuebende Zusatzsystem im oder auf dem Gegenstand, im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages des Gegenstandes, mit ggf. definiertem Spiel gefuehrt oder geklemmt wird, und dass die Kraft ueber Kraftspeicher wie Federn oder ein hydraulisches oder elektrisches System erzeugt wird. Fig. 2

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Schwingungsdämpfung und zur Erhöhung der dynamischen Steife von bereits vorhandenen oder neu zu schaffenden Gegenständen, insbesondere von bewegten oder unbewegten Maschinenteilen, wie Wellen, Ausbohrspindeln, Frässpindeln, Schleifspindeln und Werkzeugen, wie Ausbohrstangen, Drehmeißel und sonstigen technischen Einrichtungen, mit dem und mit der die Dämpfung und damit die dynamische Steife

c dyn = 2 # D * c stat

des Gegenstandes um 100 bis 400% erhöht wird durch mindestens ein auf einfache Art und Weise herstellbares Zusatzsystem und durch das, bzw. durch die bei der Entwicklung, der Konstruktion und dem Bau neuer Maschinen durch Einsatz dieses Zusatzsys'tems auf die Verhinderung von Biege- und Torsionsschwingungen oder ihre Entstehung eingewirkt und auf diese Weise von vornherein der bisher erforderliche Aufwand herabgesetzt und im Bedarfsfall eine Massen- und Aufwandreduzierung erreicht wird.

- Δ — £.Vt<t

Charakteristik der bisher bekannten technischen Lösung

Die dynamische Steife

c dyn = 2 * D * c stat -

ist ein Kennwert für den Widerstand eines Gegenstandes gegenüber dynamischer Belastung, insbesondere gegenüber Schwingungen. Sie kann verbessert werden durch Erhöhung der statischen Steife oder der Dämpfung.

Die Erhöhung der statischen Steife ist in der Regel nur in prozentual geringer Größe oder gar nicht möglich, weil durch den zur Verfügung stehenden Platz Grenzen gesetzt sind. Zum Beispiel dürfen bei Wellen bestimmte Durchmesser nicht überschritten werden, oder es sind z. B. für zusätzliche Lagerstellen keine Freiräume vorhanden. Wesentlich größere Verbesserungen, sogar teilweise mehrfache Steigerungen der dynamischen Steife, lassen sich durch Erhöhung der Dämpfung erreichen. Diese Tatsache wird direkt und indirekt im bekannten Stand der Technik genutzt.

In einem bekannten Verfahren der Maschinendämpfung, der sogenannten Drehzahlvariation, wird mit großem regelungstechnischen Aufwand in kurzen Zeitabständen die Drehzahl der Hauptspindel variiert und dadurch der Regenerativeffekt gestört und verhindert. Werkstatt und Betrieb 116(1983) 1,S.21-24.

In weiteren Verfahren zur Erhöhung der dynamischen Steife der Maschine wird eine Dämpfungserhöhung dadurch erzielt, daß an der Maschine angebrachte Zusatzmassen elektromagnetisch oder servohydraulisch über eine aufwendige Steuerung zu dämpfenden Gegenschwingungen erregt werden. Bulletin of ISME Vol. 23 No. 176 Febr. 1980 S. 265-272; Ind. Anz. 101 (1979) Nr.

100S.43-44. ' , '

Diese Verfahren erfordern einen hohen regelungstechnischen Aufwand.

Weniger aufwendig sind dagegen Verfahren und Einrichtungen, mit denen einzelne Bauteile durch Schwingungsdämpfer, die in der Regel dem System Schwingungsenergie entziehen, beeinflußt werden.

Bei dem Schwingungsdämpfer nach US 3164041 wird die Schwingenergie durch Reibung entzogen. Zu diesem Zweck sind im Innenraum einer Bohrstange federbelastete Reibscheiben angeordnet. Durch die begrenzte Größe der Reibscheiben sind dem Verfahren Grenzen gesetzt.

Es sind auch Lösungen bekannt, in denen der Bewegungswiderstand, den enge mit Luft, Öl oder viskosen Stoffen gefüllte Spalte auf lose Körper ausüben, zur Dämpfung genutzt wird. Sie sind in DE 2434196; DE 2704174 und DE 2933727 geschützt. Eine Anwendung auf kleine Ausbohrstangendurchmesser ist insbesondere beim erstgenannten Patent nicht möglich, denn es sind mehrere Körper in Bohrungen am Umfang verteilt.

Sowohl die Dimensionierung, die Herstellung der engen Spalte, als auch die Auswahl der viskosen Flüssigkeiten und die verlustfreie Füllung über lange Zeiträume stellen Fakten dar, die den Einsatz dieser Schwingungsdämpfer bedeutend erschweren und eine breite Anwendung unmöglich machen.

Ein weiterer Schwingungsdämpfer ist in US 3555927 dargestellt. Er ist nur als Torsionsschwingungsdämpfer einsetzbar. Durch die Wirkung des Reibwertes wird nur ein Teil der kinetischen Energie der Dämpferkörper genutzt. Durch gleiche Größe der sich berührenden Radien ist es nicht möglich, das Massenträgheitsmoment der Dämpfungskörper zur Erzeugung eines Gegenmomentes nach dem Prinzip eines Pendels zu nutzen. Ein Einsatz als Biegeschwingungsdämpfer ist nicht möglich.

Eine weitere technische Lösung stellt der Schlagschwingungsdämpfer nach DE 1938535 dar. Es wird die Trägheit des Dämpfungskörpers zur Erzeugung einer Schlagenergie genutzt. Ein ähnliches Prinzip liegt beim Schwingungsdämpfer nach DE 1675652 vor, bei dem unter Federspannung stehende Scheiben eine Schlagenergie erzeugen.

Schlagschwingungsdämpfer nutzen die Trägheit der Dämpfungskörper, wirken aber erst, wenn eine bestimmte Schwingungsamplitude überschritten ist. '

Ein weiteres bekanntes Prinzip der Schwingungsdämpfung stellt die Anordnung einer zweiten Masse im schwingenden Gegenstand dar. Die Masse wird in beidseitig axial angeordneten Gummifedern, deren Vorspannung über Druckfeder und

Gewindestift optimiert werden kann, aufgehängt. ' . . . .

Die Funktion ist mit Unsicherheiten behaftet, weil ein Anliegen der Masse am schwingenden Gegenstand bei der Optimierung und durch Stöße beim Betrieb nicht ausgeschlossen werden kann.

Es sind keine Systeme bekannt, die zur Schwingungsdämpfung in Spindeln angewendet werden können.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Schwingungsdämpfung und zur Erhöhung der dynamischen Steife von bereits vorhandenen oder neu zu schaffenden Gegenständen oder sonstigen Einrichtungen, die zu Schwingungen, insbesondere zu Biege- oderTofsionsschwingungen neigen, zu schaffen, mit dem, bzw. mit der auf einfache Art und Weise das Entstehen schädlicher Schwingungen an Maschinenteilen oder dgl. Gegenständen verhindert wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Schwingungsdämpfung und zur Erhöhung der dynamischen Steife von bereits vorhandenen oder neu zu schaffenden Maschinenteilen, wie Wellen, Ausbohrspindeln, Frässpindeln, Schleifspindeln oder Werkzeugen, wie Ausbohrstangen, Drehmeißel und sonstigen technischen Einrichtungen zu entwickeln, mit dem bzw. mit der sowohl bei der Entwicklung, als auch bei der Konstruktion und dem Bau neuer Maschinen der Gegenstand mit mindestens einem auf einfache Art und Weise herstellbaren Zusatzsystem in Kontakt gebracht wird, um Schwingugnen nicht erst entstehen zu lassen, wodurch von vornherein der bisher erforderliche Aufwand herabgesetzt und bei Bedarf eine Massen- und Aufwandreduzierung dieser Gegenstände erreicht und Material, Kosten und Entwicklungsaufwand eingespart werden.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zuerst im oder auf dem bewegten oder nicht bewegten Gegenstand, im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages, ein im oder auf dem Gegenstand mit ggf. definiertem Spiel geführtes, bzw. mit dem Gegenstand verbundenes Zusatzsystem angeordnet wird, daß danach eine zwischen dem Zusatzsystem und dem Gegenstand, im Bereich des größten Schwingungsausschlages, auf den Gegenstand senkrecht zu dessen Schwingungsrichtung über einen elastischen Körper wirkende Kraft mit Hilfe von Anschlagversuchen, unter Benutzung eines Schwingungsaufnehmers und vorzugsweise eines Speicheroszilloskopes, so eingestellt wird, daß eine optimale Dämpfung entsteht, und daß danach im Gegenstand zugeführte Energie, die zu schädlichen Biege- und Torsionsschwingungen auch kleinster Amplituden des Gegenstandes führen kann, auf das Zusatzsystem übertragen und von diesem aufgezehrt wird.

Diese Aufgabe wird bei der Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zusatzsystemim Gegenstand in mindestens einem Hohlraum desselben in mindestens einer Führung, im Bereich seines kleinsten Schwingungsausschlages, mit ggf.

definiertem Spiel geführt wird und daß die Kraft zwischen dem Zusatzsystem und dem Gegenstand erzeugt wird durch Kraftspeicher wie Federn oder ein hydraulisches oder elektrisches System. Diese sind zwischen dem Zusatzsystem und vorzugsweise dem Bereich des kleinsten Ausschlages des Gegenstandes angeordnet. Die zusätzliche Anordnung von Dämpfungsmaterialien wie Gummi oder anderen viskosen Stoffen in der Führung ist dabei denkbar.

Weiterhin ist das Zusatzsystem, im Bereich des größten Schwingungsa-usschlages des Gegenstandes, über mindestens einen elastischen Körper durch Kraftschluß mit dem Gegenstand verbunden.

Eine weitere Lösung der Aufgabe sieht vor, daß eine Frässpindel mit Messerkopf und ein Zusatzsysterri erfindungsgemäß so gestaltet sind, daß sie am getriebeseitigen Ende der Frässpindel über einen Klemmkörper und eine Reibungsbuchse und im Bereich des Messerkopfes über einen Stern und elastische Körper miteinander in Kontakt stehen, und daß die Vorspannung der elastischen Körper durch hydraulische, elektrische oder mechanische Kraftspeicher erzeugt wird.

Der Kraftspeicher besteht z. B. aus einem Gewindering und vier Deckeln, Federn sowie keilförmigen Körpern. Letztere werden durch weitere Federn im Grundkörper spielfrei geführt.

Es ist auch vorgesehen, daß am freien Ende des Zusatzsystems eine Schwungmasse angeordnet werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Ausbohrstange mit Zusatzsystem; Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine Spindel mit Ausbohrstange und Zusatzsystem; Fig.3: einen Längsschnitt durch eine Frässpindel mit Torsionsschwingungsdämpfer; Fig. 4: einen Querschnitt nach Linie A-A in Figur 3;

Fig. 5: einen Längsschnitt durch die Klemmverbindung zwischen Zusatzsystem und Frässpindel am getriebeseitigen Ende derselben.

In Figur 1 ist eine Anordnung in einer Ausbohrstange zur Verhinderung von Biegeschwingungen und zur Erhöhung der dynamischen Steife dargestellt. Die Ausbohrstange 1 besitzt einen Hohlraum 2, in dem ein Zusatzsystem 3 angeordnet ist, das in einem Gewindestück 4 vorzugsweise mit Spiel geführt wird. Das Gewindestück 4 ist im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages der Ausbohrstange 1 angeordnet. Zwischen dem Zusatzsystem 3 und dem Gewindestück 4 sind vorzugsweise Tellerfedern 5 angeordnet, durch die über mindestens einen elastischen Körper 6, der vorzugsweise aus Gummi besteht, eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Zusatzsystem 3 und Äusbohrstange 1 realisiert wird. Durch die in dieser Verbindung entstehende Reibung und die zusätzlich erzielte Bewegung des Zusatzsystems 3 mit Spiel im Gewindestück 4 wurde in einem Anwendungsfall eine Erhöhung der Dämpfung und damit der dynamischen Steife auf das 5fache erreicht, so daß z.B. mit einer Ausbohrstange Durchmesser 16mm einem Verhältnis Länge:Durchmesser = 4 statt bisher mit l:d = 2,5 gearbeitet werden konnte. Die Mutter 7 dient nach Optimierung des Systems der Sicherung des Gewindestiftes 4 gegen Verdrehung. Figur 2 zeigt eine Anordnung zur Verhinderung von Biegeschwingüngen des Abschnittes der Spindel 12 mit Ausbohrstange 8 vor dem vorderen Lager. Die Ausbohrstange 8 besitzt einen Hohlraum 9, in dem ein Zusatzsystem 10 angeordnet ist, das in einer Hülse 11 geführt ist. Die Hülse 11 ist im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages der Spindel 12 angeordnet. Sie besitzt an einem Ende eine keglige Aussparung, die ein Gewindestück 13 mit Außenkegel aufnimmt. In dem Gewindestück 13 ist ein weiteres Gewindestück 14, das zwei Nuten 15 besitzt, geführt. Durch dieses Gewindestück 14 erfolgt in Verbindung rrritdem Zylinderstift 16 die Optimierung des Systems, denn durch Drehen am Vierkant 19 des Zusatzsystems 10 erfolgt die Einstellung der optimalen Vorspannung der Federn 17. Die erzeugte Kraft wird vom Gewindestück 14 über das Zusatzsystem 10 und mindestens einen elastischen Körper 18 auf die Ausbohrstange übertragen. Nach Optimierung wird das Gewindestück 14 zweckmäßig entfernt und der Abstand „a" wird durch nicht dargestellte Scheiben ausgefüllt. Damit sind selbsttätige Veränderungen der Federvorspannung ausgeschlossen.

Die Dämpfung D (Lehrsches Dämpfungsmaß) und damit die dynamische Steife konnte so im Anwendungsfall auf den doppelten Ausgangswert erhöht werden. Damit wurde es möglich, mit einer um 35 mm größeren Kraglänge zu arbeiten. Beim Schleifen liegen ähnliche Kragverhältnisse bei noch ungünstigeren Massenverhältnissen vor, so daß diese Ausführungsvariante auch dort in abgewandelter Form einsetzbar ist.

In Figur 3 ist eine Anordnung zur Verhinderung von Torsionsschwingungen einer Frässpindel mit Messerkopf dargestellt. Eine Aufnahme 21 wird im Steilkegel der Frässpindel 20 mit zwei Nutensteinen 22 geklemmt. Sie dient der Zentrierung des Grundkörpers 23, an dem der Messerkopf 24 angeschraubt ist. In der Zentrumsbohrung von Grundkörper 23, Aufnahme 21 und Frässpindel 20 ist das Zusatzsystem 25 mit radialem Luftspalt angeordnet. Das Zusatzsystem 25 steht am getriebeseitigen Ende der Frässpindel 20, d. h. im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages, durch einen Klemmkörper 26 und eine Reibungsbuchse 27 mit der Frässpindel 20 in Kontakt (Fig. 5). Die Spreizschraube 28 dient der Klemmung des Klemmkörpers 26 in der Frässpindel 20, mit der Klemmschraube 29 wird die erforderliche Reibkraft eingestellt.

Zur Erhöhung der Dämpfung kann das Zusatzsystem 25 am oberen Ende mit einer Schwungmasse 30 verbunden werden. Das Zusatzsystem 25 steht im Bereich des Messerkopfes 24 über den Stern 31 und die elastischen Körper 32 mit der Frässpindel 20 und dem Messerkopf 24 in Kontakt. Die optimale Vorspannung der elastischen Körper 32 ist über den Gewindering 33, die Deckel 34, die Federn 35 und die keilförmigen Körper 36 einstellbar. Der Gewindering 33 wird durch Schraube 37 und Bolzen 38 nach dem Optimieren gegen Verdrehen gesichert. Durch die Federn 39 wird eine spielfreie Verbindung des keilförmigen Körpers 36 mit dem Grundkörper 23 hergestellt.

Bei entsprechender konstruktiver Gestaltung kann die optimale Vorspannung auch mit Hilfe hydraulischer oder elektrischer Einrichtungen erzeugt werden, so daß eine einfache Einstellung im Zusammenhang mit Steuerungen und Regelungen möglich ist.

Die Wirkungsweise des Verfahrens zur Schwingungsdämpfung und zur Erhöhung der dynamischen Steife ist, daß in oder an Gegenständen, deren Dämpfung und dynamische Steife erhöht werden soll, vorzugsweise im Bereich des größten Schwingungsausschlages zwischen dem Gegenstand und einem Zusatzsystem über mindestens einen elastischen Körper eine kraftschlüssige Verbindung erzeugt wird. Das Zusatzsystem ist im Gegenstand vorzugsweise im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages geführt oder z. B. über eine Reibungsbuchse geklemmt. Die Schwingungsdämpfung wird erzielt durch die Reibung im elastischen Körper und durch die erzwungene Bewegung des Zusatzsystems in der Führung bzw. in einer Reibungsbuchse im Gegenstand. Vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn der Angriffspunkt der Kraft am Zusatzsystem etwa in der Mitte zwischen dem elastischen Körper und der Führung gewählt wird. Die erzielten Dämpfungserhöhungen bei Biegebeanspruchung betragen das4- bis 5fache bei Ausbohrstangen und das etwa 2fache bei Spindeln, so daß sich beträchtliche Erhöhungen der dynamischen Steife ergeben.

Die hier genannten Erhöhungen können in gleicherweise bei einer Vielzahl von hier nicht genannten Anwendungsfällen, z. B. bei zu Biegeschwingungen neigenden Wellen in Getrieben, erzielt werden, so daß eine universelle Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist.

Claims (9)

1. Patentansprüche: .

   1. Verfahren zur Schwingungsdämpfung und zur Erhöhung der dynamischen Steife von bereits vorhandenen oder neu zu schaffenden Maschinenteilen, wie Wellen, Ausbohrspindeln, Frässpindeln, Schleifspindeln, und Werkzeugen, wie Ausbohrstangen, Drehmeißel oder sonstigen technischen Einrichtungen, gekennzeichnet dadurch, daß zuerst im oder auf dem bewegten oder nicht bewegten Gegenstand, im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages, ein im oder auf dem Gegenstand mit gegebenenfalls definiertem Spiel geführtes Zusatzsystem angeordnet wird, daß danach das Zusatzsystem und der Gegenstand durch eine durch Kraftspeicher wie Federn oder ein hydraulisches oder elektrisches Zusatzsystem erzeugte Kraft in Kontakt gebracht werden, und daß danach dem Gegenstand zugeführte Energie, die zu schädlichen Biege- und Torsionsschwingungen auch kleinster Amplituden des Gegenstandes führen kann, auf das Zusatzsystem übertragen und von diesem aufgezehrt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch das Zusatzsystem, im Bereich des größten Ausschlages des Gegenstandes, auf den Gegenstand eine Kraft ausgeübt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Kraft senkrecht zur Schwingungsrichtung des Gegenstandes über einen elastischen Körper auf diesen ausgeübt wird.
4. 4. Einrichtung zur Schwingungsdämpfung und zur Erhöhung der dynamischen Steife, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Zusatzsystem (3; 10) in mindestens einem Hohlraum (2; 9) eines Gegenstandes, Ausbohrstange (1); Ausbohrstange (8), mit Spindel (12), angeordnet ist, und in mindestens einer Führung, Gewindestück (4), Hülse (11), im Bereich des kleinsten Schwingungsausschlages des Gegenstandes, Ausbohrstange (1), Spindel (12), mit gegebenenfalls definiertem Spiel geführt wird.
5. 5. Einrichtung zur Schwingungsdämpfung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß eine Frässpindel (20) mit Messerkopf (24) und ein Zusatzsystem (25) so gestaltet sind, daß sie am getriebeseitigen Ende der Frässpindel (20) über einen Klemmkörper (26) und eine Reibungsbuchse (27) und im Bereich des Messerkopfes (24) über einen Stern (31) und elastische Körper (32) miteinander in Kontakt stehen und daß die Vorspannung der elastischen Körper (32) erzeugt wird durch hydraulische, elektrische oder mechanische Kraftspeicher.
6. 6. Einrichtung zur Schwingungsdämpfung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Zusatzsystem (3; 10) im Bereich des größten Schwingungsausschlages des Gegenstandes, Ausbohrstange (1); Ausbohrstange (8) mit Spindel (12) über mindestens einen elastischen Körper (6; 18) durch Kraftschluß mit dem Gegenstand Ausbohrstange (1); Ausbohrstange (8) mit Spindel (12) in Kontakt steht.
7. 7. Einrichtung zur Schwingungsdämpfung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Kraft zwischen dem Gegenstand, Ausbohrstange (1); Ausbohrstange (8) mit Spindel (12) und dem Zusatzsystem (3; 10) ausgeübt wird durch Kraftspeicher wie Federn (5; 17) oder hydraulische bzw. elektrische Systeme und daß die Größe der Kraft einstellbar ist z. B. durch Stellelemente wie Gewindestück (4; 13; 14).
8. 8. Einrichtung zur Schwingungsdämpfung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Kraftspeicher aus einem Gewindering (33), Deckeln (34), Federn (35) und keilförmigen Körpern (36), die durch Federn (39) im Grundkörper (23) spielfrei geführt werden, besteht.
9. 9. Einrichtung zur Schwingungsdämpfung nach Anspruch 5 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß am freien Ende des Zusatzsystems (25) eine Schwungmasse (30) angeordnet ist.