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Die
Erfindung betrifft ein federndes Element in Form eines mehrfach
gelagerten, elastischen, biegsamen Durchlaufträgers. Mit
Hilfe dieses federnden Elements erfolgt elastische Aufhängung
eines schwingenden massiven Maschinensatzes auf dem starrem Rahmen
oder Fundament. Aufhängungen mit den federnden Elementen
dieser Art eignen sich vorzüglich als Vibrationsisolatoren
der kontinuierlich vibrierenden Produktionsanlagen, zum Beispiel
unausgewuchteten Kurbelmechanismen, wie Verbrennungsmotoren und
Kompressoren, sowie exzentrischen Maschinen, wie Vibrationstischen,
Trog-Vibrationsanlagen, Vorrichtungen zum Herstellen von Betonsteinen.
Derartige Aufhängungen mit federnden Elementen sind auch
zum Schutz von den Geräten gegen äußerliche
Schwingungen und Erschütterungen, u. a. seismischen, verwendbar.
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Stand der Technik
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Eine
schwebende Anlage wird gewöhnlich so gelagert, dass die
angetriebene Maschine auf dem starr mit dem Fundament verbundenen
Rahmen aufgehängt ist. Das Fundament ist meist aus Beton oder
Stahlbeton und hat die Form einer Platte oder eines massiven Blocks.
Der Rahmen ist genügend hart, um der auf ihn befestigten
Maschine eine sichere Aufhängung sowohl bei Ruhe als auch
bei kontinuierlicher Bewegung zu bieten. Die Vibrationen der Maschine
aufgrund der unausgeglichenen Trägheitskräfte
sollen sich nicht auf die Umgebung – namentlich nicht auf
den Rahmen und Fundament – übertragen. Um die
Vibrationswirkungen von der Umgebung zu isolieren, wäre
es am besten, wenn der vibrierende Körper im Raum frei
wäre und mit dem Rahmen in keiner Weise zusammenhinge.
Weil das jedoch nicht möglich ist, sind wir wenigstens
bestrebt, Kräfte, mit denen der Körper auf den
Rahmen wirkt, möglichst klein zu halten. Das wird am leichtesten
erreicht, wenn der vibrierende Teil der Maschine auf weichen Vibrations-
oder Schwingungsisolatoren gelagert ist. (J. Kozesnik, Maschinendynamik,
Carl Hanser Verlag, 1966)
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Häufig
wird ein auf waagerechter Halbraumunterlage aufliegender, mittels
elastischen federnden Elementen (Vibrationsisolatoren) gelagerter,
Maschinensatz verwendet. Die harmonisch veränderliche Erregerkraft
geht üblicherweise durch den Schwerpunkt des vertikal vibrierenden
Maschinensatzes und zugleich durch den Mittelpunkt der Fundamentfläche.
Wenn die Resultierenden der Reaktionen der elastischen Schwingungsisolatoren,
die Dämpfungswiderstände sowie die Trägheitskräfte
in eine einzige Gerade zusammenfallen, die zugleich Wirkungslinie
der erregenden Kraft ist, schwingt der vibrierende Körper
in senkrechter Richtung mit einem Freiheitsgrad. Aus diesem Grund,
wird die Lagerung der Maschine mittels Aufhängung, welche
nur Bewegungen in senkrechter Richtung zulässt und alle
anderen Bewegungen unterbindet, angestrebt. Falsche Konstruktion
der Aufhängung führt zu räumlichen, oft irregulären
Schwingungserscheinungen.
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Zur
Lagerung von Maschinensätzen und zur Dämpfung
von Schwingungen, Stößen und Geräuschen
werden am häufigsten Schwingungsisolatoren aus nichtmetallischen
Werkstoffen, wie Natur- und synthetischem Gummi verwendet, und zwar
vorwiegend für Druck und Schubbeanspruchung. (
E.
F. Göbel, Gummifedern, Springer-Verlag, 1969,
DE1775260A ,
DE3106690A1 ,
DE1530143A ,
DE102004009252A1 ).
Diese Federn besitzen eine relativ hohe Materialdämpfung.
Diese Eigenschaft führt bei der stets wirkenden Erregung
zur starken Erhitzung des Schwingungsisolators aus dem Gummimaterial
mit folgender Beschädigung. Die ohnehin niedrige zulässige
Beanspruchungsspannung des Gummiwerkstoffes reduziert sich mit steigender
Temperatur erheblich. Die Überhitzung der Gummifedern führt
zur totalen mechanischer Schädigung des Schwingungsisolators
und als Folge, zum Ausfall der schwingenden Maschinen und kompletten
Produktionsanlagen. Das weitere konstruktive Problem besteht in
der Positionierung von derartigen federnden Elementen in den Produktionsanlagen.
Die Produktionsanlagen, und im Besonderen die Vorrichtungen zum
Herstellen von Betonsteinen, besitzen häufig einen langen
Spalt zwischen dem mit einem Vibrationsantrieb versehenen Rütteltisch
und dem Maschinengestell. In diesem Spalt werden mehrere elastische
Elemente für die Lagerung des Rütteltischs untergebracht.
Zwei andere Abmessungen (Höhe und Breite) des Spaltes sind
begrenzt. Wegen niedrigen zulässigen Spannungskennwerten
des Gummimaterials sind die Abmessungen der Federn häufig
zu groß für den in Maschinen vorhandenen Bauraum
in dem Spalt. Als Folge werden mehrere kleine Elemente verwendet
und parallel zum Erhöhen der Federkraft geschaltet.
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Einige
besondere Anforderungen werden auf Vibrationsisolatoren für
Betonsteinmaschinen gestellt. Bei Betonsteinmaschinen ist es bekannt,
einen mit einem Vibrationsantrieb bestückten Rütteltisch
zu verwenden, der in einem Maschinengestell über Vibrationsisolatoren
gelagert ist, um eine Schwingungsübertragung auf das Maschinengestell
möglichst zu vermeiden. Derartige Vibrationsisolatoren
umfassen einen in wesentlichen zylindrischen Gummipuffer, der zwischen
zwei Stahlplatten angeordnet ist.
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Abgesehen
davon, dass die Gummipuffer ungünstige Setzeigenschaften
zeigen, die man üblicherweise durch Nachstellen auszuregulieren
versucht, führen die Gummipuffer zu Problemen infolge ihrer
Erwärmung. Zum Einen, führt die auftretende Erwärmung
während des Rüttelns zur einen Ausdehnung vom
Gummipuffer. Dies beeinträchtigt aber momentan die Einhaltung
der Maßhaltigkeit bei der Herstellung von Betonsteinen.
Zum Ausgleichen dieses Effekts wird die Betonmaschine zunächst
eine Zeit lang warm gefahren, bevor mit der Produktion der Steine
begonnen wird. Zum anderen, führt die Erwärmung
auf Dauer häufig zu Elastizitätsverlusten der Gummipuffer
und zu einer Materialzerstörung des Gummipuffers.
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Als
eine Alternative werden Stahlfedern in Anlagebau verwendet (Meissner,
Schorcht, Metallfedern, Springer, 2007). Stahlfedern können
als Biegungs-, Drehungs- oder Zugfedern gestaltet werden. Das Arbeitsvermögen
der Stahlfedern ist in der Regel wesentlich höher, als
das Arbeitsvermögen der Gummifedern. Besonders wichtig
ist, dass die Stahlfeder Probleme infolge ihrer Erwärmung
nicht hervorrufen.
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Eine
klassische Biegefeder ist, nach der Lehre der Festkörpermechanik,
ein statisch bestimmter Einfeldträger. Ungenügende
Materialausnutzung von flachen Biegefedern mit konstantem Querschnitt führt
zur zu hohen Federmasse. Biegefedern mit veränderlichem
Querschnitt kennzeichnen sich durch veränderliche Querschnittabmessungen-Breite
und Dicke des Materials. Dabei lässt sich die Federgestalt durch
kontinuierliches Verändern beider Querschnittabmessungen
dem Verlauf des Biegemomentes über die Federlänge
angleichen. Bei entsprechender, optimaler Wahl der Breite- oder
Dickefunktionen entstehen Federkörper gleicher Biegebeanspruchung. Unter
Anderem, geben die Dreiecksfedern und die davon abgeleiteten Blattfedern
bei gleicher Dicke aller Blätter optimale Materialausnutzung.
Die Dreieck-Blattfeder stellt mit ihrer ungünstigen Krafteinleitungsstelle
trotz des besseren Ausnutzungswertes keine konstruktiv brauchbare
Lösung für Maschinenbau dar.
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Wesentlich
effektiver aus Konstruktionsgründen ist die Verwendung
von Federblättern, deren Dicke von der Einspannstelle bis
zum Ende abnimmt. Nachteilig ist für diese Art Federn eine
sehr komplizierte Herstellung und auch entsprechend hoher Preis.
Außerdem, jede Änderung der Anforderungen an die
Feder, wie Anpassung der Federrate oder -kraft, benötigt
eine komplette Neugestaltung der Feder und Werkzeugen zur Federfertigung.
Aus diesem Grund stellt häufig die optimierte Biegefeder
mit veränderlichen Querschnittabmessungen auch keine praktisch
geeignete Lösung dar.
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Einfach
oder mehrfach gekrümmte, aus Geraden und Kreisbogenteilen
zusammengesetzte Blattfedern werden aus Platzgründen verwendet. Nachteilig
sind für diese Federn relativ große Abmessungen
sowie hohe Beanspruchung im Bereich der Krümmung. Ein Unterschreiten
der empfohlenen Mindestbiegeradien führt stets zum Bruch
der Federn.
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Bekannt
sind aus
FR57126E ,
DE767478C ,
US4591136A ,
US4517775A ,
EP144144A2 Federn mit
konstanter Querschnittsfläche für Biegebeanspruchung,
bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Stäben mit untereinander
gleichen und über die Länge unveränderlichem
rundem oder polygonalem Querschnitt, die mit jeweils zumindest zwei
anderen Stäben Linien- oder Flächenkontakt haben
und ein jeweils zumindest an den Enden zusammengehaltenes Stabbündel
bilden.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe, die in diesem Patent zu lösen ist, besteht in
der Entwicklung eines kompakten, leicht herstellbaren und günstigen
federnden Elementes länglicher Form, welches sich durch
hohe Belastbarkeit und gute Ausnutzung des Materials kennzeichnet.
Eine Abmessung des federnden Elementes (Länge) ist dabei
wesentlich größer, als zwei andere Abmessungen
(Höhe und Breite). Ziel ist dabei, das federnde Element
in den länglichen Spalt zwischen dem mit einem Vibrationsantrieb
versehenen Rütteltisch und dem Maschinengestell zu unterbringen.
Das federnde Element soll sich einfach an verschiedene Anforderungen
leicht anpassen lassen, so dass eine einfache Einstellung der Federrate
oder Federkraft ohne eine gründliche Neugestaltung möglich
wird.
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Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Lösung der Aufgabe besteht im Wesentlichen in der Anwendung
zur Aufhängung der Maschine eines federnden Elements in
Form eines mehrfach gelagerten Durchlaufträgers, oder Mehrfeldträgers.
Die Lasten in einem mehrfach gelagerten Durchlaufträger
verteilen sich gleichmäßiger, als die Lasten in
einem Einzelträger. Ein Mehrfeldträger kann daher
bei gleicher Länge höher als ein Einfeldträger
belastet werden.
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Das
erfindungsgemäße federnde Element ist, im Sinne
der Festkörpermechanik, elastischer Durchlaufträger
mit mindestens vier Abstützungen. Kennzeichnendes Merkmal
der vorgeschlagenen Lösung ist, dass das vorgeschlagene,
federnde Element mit mehr als drei Abstützungen statisch
unbestimmt ist. Der Grad der statischen Unbestimmtheit entspricht
der Anzahl der Zwischenstützen. Der Vorteil der Zwischenstützen
ist, dass die Durchbiegung in Feldmitte bei gleicher Belastung geringer
wird, so dass die Federrate bei gleichen Abmessungen insgesamt höher
wird. Die freie Wahl der Zahl und Querschnittsform der Einzelfedern
im Bündel oder in dem Blatt, sowie die Anzahl der Lagerstellen
gestattet breite Variation der Federrate und Federkraft und exakte
dynamische Abstimmung der Maschine.
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Das
federnde Element in Form eines Durchlaufträgers kann über
beliebig viele Stützen verlaufen bzw. beliebig viele Felder
haben. Am linken und rechten Rand können die Enden vom
Träger gelenkig gelagert oder eingespannt sein. An den
Zwischenstützen wird der Durchlaufträger gelenkig
gelagert oder eingespannt. Eine gelenkige Lagerung ist wegen geringeren
Spannungen an den Lagerstellen vorteilhafter, als feste Einspannung,
welche zur lokalen Erhöhung des Biegemomentes führt.
Der Durchlaufträger kann an den Rändern und Zwischenpunkten
starr oder nachgiebig (durch elastische Federn) gelagert sein.
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Die
Verformung des Trägers im Betrieb reduziert sich durch
Verwendung mehreren Zwischenstützen. Geringere Verformung
unter Last ermöglicht eine Unterbringung des federnden
Elements in dem für ihn vorgesehenen knappen Bauraum.
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Das
federnde Element in Form eines Durchlaufträgers wird aus
einem Federband mit dem Rechteckquerschnitt gefertigt. Alternativ,
der elastische Träger wird aus einem Federdraht mit rundem, elliptischem
oder polygonalem Querschnitt gefertigt.
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Das
federnde Element in Form eines Durchlaufträgers kann nicht
nur aus Einzelfedern mit dem Rechteckquerschnitt bestehen, sondern
in geschichteter Form zum Einsatz kommen. Die Schichtung erfolgt
mit gleich langen Blättern (Federlagen) gleichen rechteckigen
Querschnitts. Der Durchlaufträger kann auch aus einer Mehrzahl
von einzelnen Stäben mit untereinander gleichen und über
die Länge unveränderlichem rundem oder polygonalem
Querschnitt bestehen, die mit jeweils zumindest zwei anderen Stäben
Linien- oder Flächenkontakt haben, und ein jeweils zumindest
an den Enden zusammengehaltenes Stabbündel bilden.
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Das
federnde Element in Form eines Durchlaufträgers kann abschnittsweise
unterschiedliche Querschnittstypen (Platte, Plattenbalken, Balken) und
auch unterschiedliche Werksstoffe (Faserverbundwerkstoff, Stahl)
haben.
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Das
federnde Element in Form eines Durchlaufträgers kann auch
eine Form einer Welle haben, wobei die Hoch- und Tiefpunkte der
Welle zur Befestigung von Zwischenstützen dienen.
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Das
federnde Element in Form eines Durchlaufträgers kann als
Speicherelement dienen, dessen Hauptaufgabe in der Energiespeicherung
und -umformung besteht.
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Das
federnde Element in Form eines mehrfach gelagerten Durchlaufträgers
kann als Speicherelement dienen, also als Schwingungs- und Dämpfungselement,
bei dem die Schwingungseigenschaft ebenso genutzt wird wie die Eigenschaft,
Stöße abzufedern sowie Schwingungen durch innere
Reibung oder in Verbindung mit Dämpfungsgliedern relativ schnell
zum Abklingen zu bringen.
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Das
federnde Element in Form eines mehrfach gelagerten Durchlaufträgers
kann als Ruheelement verwendet werden, mit Aufgaben der Kraftverteilung,
der Kraft- und Wegausgleichs, der Erzeugung von Vorspannkräften
und der Realisierung von Rückstellbewegungen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten
Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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1 zeigt
die aufzuhängende, schwingungsfähige Maschine
(10), welche mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Aufhängung (1, 2, 3, 4, 5, 9')
auf starrem Rahmen (11) befestigt ist. Der Rahmen (11) ist
auf dem Fundament befestigt. 1 stellt das
federnde Element (9') aus Einzeldraht oder Einzelblatt dar.
Das federnde Element ist mit starren Lagerungen (1, 2, 3, 4, 5)
verbunden. Die Lagerungen (1, 3, 5) sind
mit der Maschine (10) verbunden. Die Lagerungen (2, 4)
sind mit dem Rahmen (11) verbunden. Die Auslenkung der
Maschine (10) in senkrechter Richtung führt zur
mehrfachen elastischen Biegung des federnden Elements.
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2 zeigt
die aufzuhängende, schwingungsfähige Maschine
(10), welche mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Aufhängung (1, 2, 3, 4, 5, 9'')
auf unverformbaren Rahmen (11) befestigt ist. Der Rahmen
(11) ist fest auf dem Fundament fixiert. 2 stellt
das federnde Element aus Bündelfeder oder geschichteter
Blattfeder dar. Das federnde Element (9'') ist mit harten
Lagerungen (1, 2, 3, 4, 5)
verbunden. Die Lagerungen (1, 3, 5) sind
mit der Maschine (10) verbunden. Die Lagerungen (2, 4)
sind mit dem Rahmen (11) verschraubt.
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3 zeigt
im Querschnitt eine Lagerung (1) mit geschichteter Blattfeder
(12). Die auf diesem Bild dargestellte geschichtete Blattfeder
(12) wird aus acht rechteckigen Einzelfedern zusammengesetzt. Die
Linie (8) zeigt die Bohrungsachse zur Befestigung der Lagerung
(1) mittels eines Bolzen oder Schraube mit aufzuhängenden
Maschine oder Rahmen.
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4 zeigt
im Querschnitt eine Lagerung (1) mit einer Bündelfeder
aus dem Runddraht (13). Die auf diesem Bild dargestellte
Bündelfeder (13) wird aus acht kreisrunden Einzelfedern
zusammengesetzt. Die Linie (8) zeigt die Bohrungsachse
zur Verschraubung der Lagerung (1) mittels eines Bolzen oder
Schraube fest zur vibrierenden Maschine.
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5 zeigt
im Querschnitt eine Lagerung (1) mit einer Bündelfeder
aus polygonalem Draht (14). Zwei Bündeln sechseckiger
Einzelfedern bilden die auf diesem Bild dargestellte Bündelfeder
(13).
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6 stellt
das federnde Element (9') mit einer Bündelfeder
aus dem Runddraht (13) in isometrischer Ansicht dar. Die
auf diesem Bild dargestellte Bündelfeder (13)
wird aus acht kreisrunden Einzelfedern zusammengesetzt.
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7 stellt
das federnde Element (9'') mit einer Bündelfeder
aus dem Rechteckdraht (12) in isometrischer Ansicht dar.
Die auf diesem Bild dargestellte geschichtete Blattfeder (12)
besteht aus acht rechteckigen Einzelfedern.
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8 zeigt
in isometrischer Ansicht die aufzuhängende, schwingungsfähige
Maschine (10), welche mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Aufhängung auf starren Rahmen (11) befestigt ist.
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9 zeigt
explodierte Darstellung von schwingenden Maschine (10),
welche mit Hilfe der erfindungsgemäßen Aufhängung
auf starren Rahmen (11) fixiert ist.
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10 stellt
das federnde Element (15) aus wellförmigem Durchlaufträger
dar. Das wellförmige, federnde Element (15) ist
mit Lagerungen (1, 2, 3, 4, 5)
gelagert. Die Maschine (10) ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Aufhängung (1, 2, 3, 4, 5, 15)
auf starren Rahmen (11) montiert. Harte Lagerungen (1, 3, 5)
sind mit der Maschine (10), und Lagerungen (2, 4)
mit dem Rahmen (11) verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1775260
A [0004]
- - DE 3106690 A1 [0004]
- - DE 1530143 A [0004]
- - DE 102004009252 A1 [0004]
- - FR 57126 E [0011]
- - DE 767478 C [0011]
- - US 4591136 A [0011]
- - US 4517775 A [0011]
- - EP 144144 A2 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - J. Kozesnik,
Maschinendynamik, Carl Hanser Verlag, 1966 [0002]
- - E. F. Göbel, Gummifedern, Springer-Verlag, 1969 [0004]
- - Meissner, Schorcht, Metallfedern, Springer, 2007 [0007]