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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungstilger für einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagerte Schwingungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagerte Schwingungen werden, wenn die überlagerten Schwingungen dieselbe Richtung wie die Drehbewegung haben, auch als Drehschwingungen bezeichnet. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch nicht nur die Unterdrückung solcher Drehschwingungen mit einem Schwingungstilger, sondern auch von Schwingungen, die eine Richtung senkrecht zur Umfangsrichtung um die Drehachse haben.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Schwingungstilger für einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagerte Schwingungen ist aus dem Bereich der Hubschraubertechnik bekannt. An jedem mehrerer Rotorblätter des Rotors eines Hubschraubers ist ein um eine tangential zur Rotorachse ausgerichtete Pendelachse pendelndes starres Pendel angeordnet, wobei die reduzierte Pendellänge des Pendels, die die Abweichungen eines physikalischen Pendels von einem mathematischen Pendel berücksichtigt, soviel kleiner ist als der Abstand seiner Pendelachse von der Rotorachse, dass die Eigenfrequenz der Pendelbewegungen des Pendels um die Pendelachse im Zentrifugalfeld aufgrund der Drehbewegung des Rotors um die Rotorachse ein n-faches der Drehfrequenz der Drehbewegung um die Drehachse ist, wobei n die Anzahl der Rotorblätter des Rotors ist.
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Häufig treten jedoch einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagerte Schwingungen nicht mit einer n-fach höheren Frequenz als der Drehfrequenz der Drehbewegung auf, sondern mit dieser Drehfrequenz selbst. Derartige Schwingungen werden derzeit mit Schwingungstilgern unterdrückt, deren Tilgermassen elastisch an eine rotierende Basis angekoppelt sind, wobei die elastische Ankopplung eine feste Tilgereigenfrequenz bewirkt, so dass derartige Schwingungstilger nur bei einer festen Drehfrequenz der Drehbewegung wirksam sind. Durch eine Dämpfung der elastischen Ankopplung der Tilgermassen kann der wirksame Frequenzbereich eines derartigen Schwingungstilgers zwar erweitert werden, was aber zu Lasten der Wirksamkeit des Schwingungstilgers bei seiner Eigenfrequenz geht.
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Aus der
DE 10 2006 023 568 A1 ist ein Schwingungstilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem die Pendelachse, um die das Pendel pendelnd gelagert ist, parallel zu der Drehachse verläuft. Dieser Schwingungstilger ist grundsätzlich nur für Drehschwingungen um die Drehachse geeignet.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungstilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, der auch einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagerte Schwingungen unterdrückt, die keine reine Drehschwingungen sind.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Schwingungstilger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Schwingungstilgers sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem neuen Schwingungstilger weist das Pendel eine derartige Masseverteilung um ihre Pendelachse auf, dass die Eigenfrequenz der Pendelbewegung des Pendels um die Pendelachse im Zentrifugalfeld aufgrund der Drehbewegung um die Drehachse genauso groß ist wie oder kleiner ist als die Drehfrequenz der Drehbewegung um die Drehachse. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die reduzierte Pendellänge für die Pendelbewegung des Pendels um die Pendelachse um mindestens soviel größer als der Abstand der Pendelachse zu der Drehachse ist, dass sie im Zentrifugalkraftfeld aufgrund der Drehbewegung so groß wird wie der Abstand des Schwerpunkts des Pendels von der Drehachse. In dem Fall, dass die reduzierte Länge in dem Zentrifugalkraftfeld genauso groß ist wie der Abstand des Schwerpunkts des Pendels von der Drehachse, steigt die wirksame Rückstellkraft auf das ausgelenkte Pendel mit der Drehfrequenz der Drehbewegung gerade so an, dass die Eigenfrequenz der Pendelbewegung des Pendels immer genauso groß ist wie die Drehfrequenz der Drehbewegung.
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Bei dem neuen Schwingungstilger weist die Pendelachse des Pendels vorzugsweise eine über die Drehbewegung hinweg gleichbleibende Orientierung zu der Drehachse auf. Dann verläuft die Pendelachse tangential zu einem Kreis um die Drehachse oder auch unter einem Winkel zu einer Tangente des Kreises um die Drehachse. Sonst ist das Pendel in einem Schwenklager mit einem Rotationsfreiheitsgrad für die Pendelachse gelagert, so dass sich die Pendelachse senkrecht zu der Hauptrichtung der auftretenden und zu unterdrückenden Schwingungen ausrichten kann. Besonders bevorzugte Eigenfrequenzen des neuen Schwingungstilgers, d. h. Eigenfrequenzen der Pendelbewegung des Pendels um die Pendelachse im Zentrifugalkraftfeld aufgrund der Drehbewegung um die Drehachse, sind genauso groß wie die Drehfrequenz der Drehbewegung um die Drehachse oder genauso groß wie die halbe Drehfrequenz der Drehbewegung um die Drehachse. Dabei stellt die Eigenfrequenz von der halben Drehfrequenz einen in zweierlei Hinsicht besonders wichtigen Fall dar. Zum einen entspricht sie bei einem Viertaktmotor der Zündfrequenz jedes Zylinders bezogen auf die Drehfrequenz der Kurbelwelle. Zum anderen ist diese bezogen auf die Drehfrequenz sehr niedrige Eigenfrequenz bei einem pendelbasierten Schwingungstilger nur mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen zu erreichen.
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In die reduzierte Pendellänge für Pendelbewegung des Pendels um die Pendelachse gehen das Trägheitsmoment um die Pendelachse als Faktor und der Abstand des Schwerpunkts des Pendels von der Pendelachse sowie die physikalische Masse des gesamten Pendels als Quotient ein. Durch ein sehr großes Trägheitsmoment bei vergleichsweise kleinem Abstand der Pendelachse von dem Schwerpunkt des Pendels wird eine große reduzierte Pendellänge erreicht, die deutlich über den maximalen Abstand des Pendels von der Pendelachse hinausgeht, was Grundvoraussetzung für die Ausbildung des neuen Schwingungstilgers ist.
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Das Pendel des neuen Schwingungstilgers kann im Wesentlichen aus zwei Tilgermassen ausgebildet sein, deren Massenschwerpunkte einander über die Pendelachse hinweg gegenüberliegen. Diese Masseverteilung des Pendels ist im Hinblick auf die Effektivität der eingesetzten Gesamtmasse, d. h. die schwingungstilgende Wirksamkeit der Gesamtmasse besonders bevorzugt. Zudem kann anhand dieser Masseverteilung die Funktionsweise des neuen Schwingungstilgers auch dadurch erklärt werden, dass bei ihr ein Pendel, auf dessen Pendelmasse eine positive Rückstellkraft wirkt, die einer die Eigenfrequenz erhöhenden positiven Steifigkeit entspricht, starr mit einem Pendel gekoppelt ist, auf dessen Pendelmasse eine negative Rückstellkraft wirkt, die einer die Eigenfrequenz erniedrigenden negativen Steifigkeit entspricht. Dabei wird das Pendel mit der negativen Steifigkeit durch die in ihrer Nulllage zwischen der Drehachse und der Pendelachse liegende Tilgermasse des Pendels gebildet. Durch die Festlegung der relativen Größen dieser beiden ”Steifigkeiten” kann deren Summe, das ist aufgrund der unterschiedlichen Vorzeichen die Differenz ihrer Beträge, und damit die Eigenfrequenz der starr gekoppelten Pendel weitgehend unabhängig von der tatsächlichen Pendellänge des Pendels mit der positiven Steifigkeit festgelegt werden, das durch die Tilgermasse des Pendels gebildet wird, welche in ihrer Nulllage weiter von der Drehachse entfernt ist. Wenn man darüber hinaus berücksichtigt, dass die Pendelmasse, auf die die negative Rückstellkraft einwirkt, diejenige ist, die bei dem neuen Schwingungstilger näher an der Drehachse liegt und die so der Inhomogenität des Zentrifugalkraftfelds besonders stark ausgesetzt ist, wird deutlich, dass die die Eigenfrequenz erniedrigende negative Steifigkeit bei dem neuen Schwingungstilger mit vergleichsweise kleinen Massen bereitgestellt werden kann. Durch die Inhomogenität des Zentrifugalkraftfelds aufgrund der Drehbewegung um die Drehachse entfällt bei dem neuen Schwingungstilger die grundsätzliche Unabhängigkeit der Eigenfrequenz eines Pendels von seiner Pendelmasse, da hieraus eine unterschiedliche Gewichtung der beiden Pendelmassen resultiert, die die Tilgermassen des Pendels des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers ausbilden. Diese unterschiedliche Gewichtung kann, wie bereits angedeutet wurde, dazu genutzt werden, die zur Abstimmung der Eigenfrequenz der Pendelbewegung des gesamten Pendels benötigte negative Steifigkeit im Zentrifugalkraftfeld aufgrund der Drehbewegung um die Drehachse mit vergleichsweise geringer tatsächlicher Masse bereitzustellen.
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Soweit die Drehachse und die Pendelachse des neuen Schwingungstilgers nicht vertikal ausgerichtet sind, wirkt sich auch das Schwerkraftfeld der Erde auf die Pendelbewegung des Pendels aus. Diese Auswirkung, die über jeden Umlauf um die Drehachse zu einer Variation der Eigenfrequenz der Pendelbewegung des Pendels um die Pendelachse führt, ist aber nur bei kleinen Drehfrequenzen der Drehbewegung um die Drehachse relevant. Bei höheren Drehfrequenzen schwindet ihr Einfluss auf die Pendelbewegung des Pendels und deren Eigenfrequenz. Dennoch ist es bevorzugt, wenn die Drehachse und die Pendelachse bei dem neuen Schwingungstilger vertikal ausgerichtet sind, so dass auch bei kleineren Drehfrequenzen kein Einfluss des Schwerkraftfelds der Erde auf die Eigenfrequenz der Pendelbewegung des Pendels gegeben ist.
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Bei dem neuen Schwingungstilger kann das Pendel bezüglich seiner Drehbewegung um die Pendelachse gedämpft sein. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine möglichst ideale Dämpfung, die nur einer auftretenden Bewegung entgegen gerichtete Kräfte hervorruft, d. h. keine von der reinen Auslenkung des Pendels abhängigen Kräfte, weil die letztgenannten Kräfte zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz der Pendelbewegung des Pendels gegenüber der Drehfrequenz der Drehbewegung führen.
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Um die Amplitude der Auslenkung des Pendels zu begrenzen, können für diese jedoch weiche Anschläge vorgesehen sein. Derartige Anschläge sind insbesondere bei einem raschen Anfahren der Drehbewegung oder starken Drehzahlschwankungen der Drehbewegung, womit nicht die zu unterdrückenden Schwingungen sondern quasi statische Drehzahlveränderungen gemeint sind, sinnvoll.
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Vorzugsweise weist der neue Schwingungstilger mehrere pendelnd gelagerte starre Pendel auf, deren Pendelachsen symmetrisch zu der Drehachse angeordnet sind. Dabei können die Pendel, insbesondere dann, wenn ihre Pendelachsen parallel zueinander verlaufen, untereinander gekoppelt sein. Dies kann durch elastische Kräfte, beispielsweise mittels elastischer Bänder erfolgen.
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Konkret können die Pendel bei dem neuen Schwingungstilger an einem an einer die Drehbewegung aufweisenden Welle befestigbaren Flansch gelagert sein. Dabei sind die Pendel vorzugsweise innerhalb eines an seinem Umfang geschlossenen Gehäuses gelagert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.
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1 skizziert an einem selbst nicht unter die Patentansprüche fallenden Schwingungstilger ein Grundprinzip des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers.
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2 skizziert die geometrischen Verhältnisse in Bezug auf eine von zwei Tigermassen bei dem Schwingungstiger gemäß 1; und
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3 skizziert die geometrischen Verhältnisse in Bezug auf die andere der beiden Tigermassen bei dem Schwingungstiger gemäß 1.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 skizzierte Schwingungstilger 1 ist zum Unterdrücken von Drehschwingungen vorgesehen, die bei einer Drehbewegung 2 um eine Drehachse 3 auftreten. Dabei weist der Schwingungstilger 1 ein starres Pendel 4 auf, das an einem hier nur angedeuteten Flansch 8 um eine Pendelachse 5 frei pendelnd gelagert ist und in 1 in zwei Schwenkstellungen um diese Pendelachse 5 wiedergegeben ist. Die Pendelachse 5 verläuft bei der Drehbewegung 2 in einem festen Abstand R parallel zu der Drehachse 3. Das Pendel 4 umfasst zwei Tiggermassen 6 und 7, wobei die Tilgermasse 7 näher an der Pendelachse 5 liegt als die Tilgermasse 6. Auch die physikalische Masse mi der Tilgermasse 7 kann kleiner als die physikalische Masse mp der Tilgermasse 6 sein. Der Schwerpunkt des gesamten Pendels 4 weist so einen Abstand von der Pendelachse 5 auf, der kleiner ist als der Abstand rp der Tilgermasse 6 von der Pendelachse 5. Durch geeignete Abstimmung der physikalischen Massen mi und mp und der Abstände rp und ri der Tilgermassen 6 und 7 von der Pendelachse 5 im Hinblick auf den Abstand R der Pendelachse 5 von der Drehachse 3 ist bei dem Schwingungstilger 1 die Eigenfrequenz ω0 der Pendelbewegung des Pendels 4 um die Pendelachse 5 im Zentrifugalkraftfeld aufgrund der Drehbewegung 2 um die Drehachse 3 immer genauso groß wie die Drehfrequenz Ω der Drehbewegung 2.
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Das dies möglich ist, belegen die beiden folgenden Überlegungen.
- 1. In der ersten Überlegung wird das Pendel 4 als starre Kopplung zweiter mathematischer Pendel betrachtet, deren Pendelmassen die physikalischen Massen mi und mp und deren Pendellängen die Abstände rp und ri der Tilgermassen 6 und 7 von der Pendelachse 5 sind. Wenn diese beiden mathematischen Pendel um denselben Winkel φ wie das Pendel 4 in 1 aus ihrer Nullstellung ausgelenkt werden, in der sie in der von der Drehachse 3 und der parallel dazu verlaufenden Pendelachse 5 definierten Ebene liegen, ergeben sich die in 2 und 3 dargestellten geometrischen Verhältnisse für das Pendel mit der Pendelmasse mp und das inverse Pendel mit der Pendelmasse mi. Hieraus ergibt sich die Bewegungsgleichung des gekoppelten Pendels 4 zu: Θφ .. + mprpΩ2Rsinφ – miriΩ2Rsinφ = 0
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Dabei ist Θ das Trägheitsmoment des gesamten Pendels 4 um die Pendelachse 5, für das bei dieser Überlegung Θ = mpr 2 / p + mir 2 / i gilt.
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Somit lässt sich die obige Bewegungsgleichung umformen in:
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Da für kleine φ sin φ ≈ φ gilt, folgt hieraus für ist die Pendeleigenfrequenz ω
0 des Pendels
4:
und damit: ω
0 ∝ Ω sowie bei geeigneter Abstimmung von m, m
i, r
p und r
i auf R: ω
0 = Ω.
- 2. In der zweiten Überlegung wird das Pendel 4 als ganzes, d. h. als physikalisches Pendel mit einer speziellen Masseverteilung betrachtet. Für die Eigenfrequenz ω0 eines physikalischen Pendels in einem Schwerefeld mit der Schwerkraft g gilt im Falle kleiner Auslenkungen des Pendelswobei m die Gesamtmasse des Pendels, d der Abstand des Masseschwerpunkts des Pendels von der Pendelachse und Θ das Trägheitsmoment des Pendels um die Pendelachse ist. Wenn man für die Anwendung dieser Formel auf das Pendel 4 die Schwerkraft g durch die Zentrifugalbeschleunigung am Ort des Schwerpunkts des Pendels ersetzt und diese bei den betrachteten kleinen Auslenkungen nur abhängig von der Drehfrequenz mit Ω2 (R + d) ansetzt, resultiert hierausDabei wird Θ / md auch als reduzierte Pendellänge, die die Abweichungen eines physikalischen Pendels von einem mathematischen Pendel erfasst, bezeichnet. D. h., wenn die reduzierte Pendellänge über die Masseverteilung des Pendels 4 so eingestellt wird, dass sie genauso groß ist wie die Summe des Abstands R der Pendelachse 5 von der Drehachse 3 und des Abstands d des Schwerpunkts des Pendels 4 von der Pendelachse 5 sind die Eigenfrequenz ω0 der Pendelbewegung des Pendels 4 um die Pendelachse 5 und die Drehfrequenz Ω der Drehbewegung 2 um die Drehachse 3 unabhängig von der absoluten Größe der Drehfrequenz Ω gleich groß.
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Festzustellen ist zwar, dass die voranstehenden Überlegungen nur groß qualitativ sind und die Besonderheiten des radialen Zentrifugalkraftfelds aufgrund der Drehbewegung 2 um die Drehachse 3, d. h. dessen Abweichungen von einem homogenen Kraftfeld nicht berücksichtigen. Dennoch lassen sie die Schlussfolgerung zu, dass es die Masseverteilung des Pendels 4 um die Pendelachse 5 erlaubt, einen Tilger 1 gemäß 1 auszubilden, der bei allen Drehfrequenzen der Drehbewegung 2 eine Eigenfrequenz, d. h. eine Tilgereigenfrequenz aufweist, die genauso groß ist wie die aktuelle Drehfrequenz. Der Schwingungstilger 1 ist damit bei allen Drehfrequenzen der Drehbewegung 2 wirksam.
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Bei konkreten Ausführungsformen des Schwingungstilgers 1, sind an dem Flansch 9 gemäß 1 mehrere Pendel 4 in rotationssymmetrischer Anordnung um die Drehachse 3 um jeweils eine Pendelachse 5 pendelnd gelagert. Dabei weist der Flansch 9 typischer Weise eine zentrale Öffnung um die Drehachse und Befestigungslöcher in symmetrischer Anordnung um die Drehachse 3 auf. Er kann auch ein die Pendel 4 umschließendes Gehäuse ausbilden. Zusätzlich können die Pendel 4 über elastische Bänder elastisch aneinander gekoppelt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingungstilger
- 2
- Drehbewegung
- 3
- Drehachse
- 4
- Pendel
- 5
- Pendelachse
- 6
- Tilgermasse
- 7
- Tilgermasse
- 8
- Flansch