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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Drehschwingungstilger für einer
Drehbewegung um eine Drehachse überlagerte
Drehschwingungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs
1.
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Die
Erfindung bezieht sich damit auf einen Schwingungstilger mit einer
Tilgermasse, die durch die von ihr zu unterdrückenden Schwingungen selbst zu
Schwingungen angeregt wird, welche aber gegenphasig zu den zu unterdrückenden
Schwingungen verlaufen und entsprechend gegenphasige Gegenkräfte zu den
zu unterdrückenden
Schwingungen hervorrufen. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung
die Unterdrückung
von Drehschwingungen, die einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagert sind.
Daher wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung als Drehschwingungstilger
bezeichnet.
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STAND DER TECHNIK
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Im
einfachsten Fall weist ein Schwingungstilger eine durch die elastische
Ankopplung seiner Tilgermasse an eine Basis definierte, feste Tilgereigenfrequenz
auf, bei der er seine maximale Wirksamkeit in Hinblick auf das Unterdrücken von
unerwünschten Schwingungen
hat. Der Frequenzbereich um die Tilgereigenfrequenz, in dem der
Schwingungstilger noch eine gewisse Funktion in Hinblick auf das
Unterdrücken
der unerwünschten
Schwingung aufweist, ist bei einem Schwingungstilger ohne Dämpfung,
der eine maximale Wirkung bei der Tilgereigenfrequenz aufweist,
nur sehr schmal. Durch Dämpfung
der Bewegung der Tilgermasse kann zwar der Frequenzbereich der Wirksamkeit
des Schwingungstilgers aufgeweitet werden. Dies geht jedoch zu Lasten
seiner Wirksamkeit bei seiner Tilgereigenfrequenz. Ungedämpfte Schwingungstilger
sind daher immer besonders genau auf die Frequenz abzustimmen, bei
der die zu unterdrückenden
Schwingungen auftreten. Ist die Frequenz der zu unterdrückenden
Schwingungen nicht konstant, sondern ändert sich beispielsweise mit
der Temperatur einer Vorrichtung oder der Drehzahl eines Motors,
muss entweder mittels Dämpfung der
wirksame Frequenzbereich des Schwingungstilgers aufgeweitet werden,
wobei die geschilderten Nachteile in Kauf zu nehmen sind, oder es
müssen mehrere
Tilger mit nebeneinander liegenden Tilgereigenfrequenzen eingesetzt
werden, oder die Tilgereigenfrequenz muss der Frequenz der zu unterdrückenden
Schwingungen fortlaufend angepasst, d. h. nachgeführt werden.
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Zur
Dämpfung
der Drehschwingungen eines Rotors eines Hubschraubers, die mit der
doppelten Frequenz der Umlauffrequenz des Rotors auftreten, ist
es bekannt, Drehschwingungstilger einzusetzen, bei denen die Tilgermassen
frei pendelnd um Pendelachsen gelagert sind, welche mit Abstand
zu der Rotorachse mit dem Rotor umlaufen. Die bei der Drehbewegung
des Rotors auf die Tilgermasse einwirkende Zentrifugalkraft stellt
dabei statt einer elastischen Kraft die Rückstellkraft auf die Tilgermasse
im Falle ihrer Auslenkung bereit. Diese Zentrifugalkraft wächst mit
der Drehzahl des Rotors an. Bei passender Abstimmung der Pendellänge auf
den Abstand der Pendelachse von der Rotorachse kann so eine Tilgereigenfrequenz
des Drehschwingungstilgers erreicht werden, die immer doppelt so
groß ist
wie die Drehzahl des Rotors. Dieses bekannte Prinzip ist jedoch
nicht ohne Weiteres auf andere Vorgänge zu übertragen, bei denen ein Drehschwingungstilger
mit einer Tilgereigenfrequenz, welche mit der Drehzahl um eine Drehachse
ansteigt, wünschenswert
wäre, da
seine Funktion nur ab gewissen Drehzahlen abhängig von dem Abstand der Pendelachse
von der jeweiligen Drehachse gegeben ist, da nur dann die Zentrifugalkräfte auf
die Tilgermasse ausreichen und gegenüber anderen möglichen
Kräften
dominant sind.
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Aus
der
DE 199 07 216
C1 ist ein Drehschwingungstilger mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1 bekannt. Hier ist eine ringförmige Tilgermasse durch zwei
in einander entgegen gesetzten radialen Richtungen verlaufenden
Blattfeder an einem Flansch abgestützt, wobei die beiden Blattfedern
in unbelastetem Zustand in einer gemeinsamen Ebene verlaufen. Dabei
sind die radial außen
liegenden Enden der Blattfedern starr an der Tilgermasse festgelegt,
während die
radial innen liegenden Enden der Blattfedern in Gleitsteinen geführt sind,
die radial längs
der Blattfedern in Linearführungen
verschieblich sind. Durch die aufgrund der Drehbewegung um die Drehachse
auf die Gleitsteine einwirkende Zentrifugalkraft bewegen sich die
Gleitsteine nach außen
und verkürzen
dabei die effektive Länge
der Blattfedern zwischen den Gleitsteinen und der Tilgermasse. Dabei
werden die Gleitsteine radial nach innen durch eine Rückstellfeder
beaufschlagt, deren Steifigkeit die radiale Lage der Gleitsteine
bei einer bestimmten Drehzahl um die Drehachse bestimmt und damit
die bei dieser Drehzahl wirksame Länge der Blattfedern und aufgrund der
elastischen Abstützung
der Tilgermasse über
die Blattfedern damit auch die Eigenfrequenz des bekannten Drehschwingungstilgers
bei der Drehzahl. Es ist unmittelbar nachzuvollziehen, dass auf
diese Weise die Tilgereigenfrequenz des bekannten Drehschwingunsgtilgers
mit der Drehzahl um die Drehachse ansteigt. Es ist jedoch mit erheblichem
Abstimmungsaufwand verbunden, diesen Anstieg genau so zu realisieren,
dass die Tilgereigenfrequenz proportional zu der Drehzahl ansteigt.
Bei kleinen Drehzahlen ist dies grundsätzlich unmöglich, weil die Eigenfrequenz
des Schwingungstilgers aufgrund der Abstützung der Tilgermasse über die
Blattfedern nicht beliebig klein werden kann.
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Aus
der
EP 1 528 281 A1 ist
ein adaptiver Schwingungstilger bekannt, der eine über eine
Blattfeder an einer Basis gelagerte Tilgermasse und einen zur Veränderung
der Tilgereigenfrequenz ansteuerbaren Linearaktuator aufweist. Der
Linearaktuator belastet die Blattfeder zwischen ihren Federenden auf
Druck. Diese Druckbelastung reduziert die Quersteifigkeit der Blattfeder
und damit die effektive Steifigkeit der elastischen Abstützung der
Tilgermasse an der Basis, was gleichbedeutend mit einer Reduzierung
der Tilgereigenfrequenz des bekannten Schwingungstilgers ist. Mit
der Unterdrückung
von Drehschwingungen befasst sich die
EP 1 528 281 A1 nicht.
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Aus
der
DE 22 64 050 A ist
ein federgelagerter Hebel kleiner Bauweise zur Anwendung in der Feinwerktechnik
bekannt. Dieser weist ein Lager aus einem starren Innenring, einem
starren Außenring und
aus dem Außenring
und dem Innenring verbindenden elastischen Speichen auf. Die Speichen
können
mäanderförmig ausgebildet
sein. Bei der Lagerung des Hebels kann der Innenring fest eingespannt sein,
wobei dann der Außenring
drehbar ist und der Hebel eine Fortsetzung des Außenrings
ist. Alternativ kann der Außenring
unterbrochen sein und bei der Lagerung des Hebels fest eingespannt
sein. Dann ist der Innenring drehbar und eine Fortsetzung des Hebels.
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Aus
der
DE 10 2004
047 854 A1 ist ein auf der Basis eines Sarazin-Pendels
arbeitender Drehschwingungstilger bekannt. Ein Sarazin-Pendel wird durch
eine rotierende Scheibe gebildet, an deren äußerer Peripherie ein einfaches
Pendel, beispielsweise ein Fadenpendel oder ein starres Pendel aufgehängt ist.
Bei Rotation der Scheibe wird die Pendelmasse fliehkraftbedingt
in größtmöglichen
Abstand zur Drehachse mitgenommen. Eine die Rotationsbewegung überlagernde
Drehungleichförmigkeit
oder Drehschwingung hat zur Folge, dass die Pendelmasse eine von
der Drehzahl der Scheibe abhängige,
der Drehungleichförmigkeit
entgegengesetzt gerichtete Pendelbewegung ausführt, d. h. eine beschleunigende
Drehungleichförmigkeit
abbremst und eine verzögernde
Drehungleichförmigkeit
beschleunigt. Diese Pendelbewegung führt gleichzeitig zu einer Relativverlagerung
der Trägheitsmasse
bezogen auf die Rotationsachse der Scheibe und ist daher geeignet, drehzahladaptiv
in hohem Maß dämpfend auf
Drehungleichförmigkeiten
und Drehschwingungen der rotierenden Scheibe zu wirken.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehschwingungstilger
für einer
Drehbewegung um eine Drehachse überlagerte
Drehschwingungen aufzuzeigen, der eine proportional zu der Drehzahl der
Drehbewegung ansteigende Tilgereigenfrequenz aufweist und auch für kleine
Drehzahlen geeignet ist.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Drehschwingungstilger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Drehschwingungstilgers sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11
definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Drehschwingungstilger ist jede Tilgermasse nur an einer,
sich in einer Richtung von der Drehachse weg erstreckenden Blattfeder
gelagert, wobei die Tilgermasse ihren Masseschwerpunkt im entspannten
Zustand der Blattfeder an dem radial außen liegenden Ende der Blattfeder
aufweist. Die Tilgermasse des neuen Drehschwingungstilgers könnte sich
zwar grundsätzlich
auch ringförmig
um die Drehachse herum erstrecken. Da aber ihr Masseschwerpunkt
im entspannten Zustand der sie abstützenden einen Blattfeder an
dem radial außen
liegenden Ende dieser Blattfeder liegt, wäre dies keine bevorzugte Ausführungsform
der Tilgermasse des neuen Drehschwingungstilgers. Vielmehr ist es
bevorzugt, wenn jede Tilgermasse in möglichst kompakter Form an dem
radial außen
liegenden Ende der jeweiligen Blattfeder angeordnet und starr an
der Blattfeder befestigt ist. Durch die erfindungsgemäße Lage des
Masseschwerpunkts jeder Tilgermasse ist die bei der Drehbewegung
um die Drehachse auf sie einwirkende Zentrifugalkraft nicht ausbalanciert,
sondern wirkt neben der Steifigkeit der Blattfeder als Rückstellkraft
auf die Tilgermasse in ihre Grundposition in derselben radial zu
der Drehachse verlaufenden Ebene wie die Blattfeder. Auf diese Weise
ist bei dem neuen Drehschwingungstilger die effektive Steifigkeit der
Abstützung
der Tilgermasse über
die auf die Tilgermasse einwirkende Zentrifugalkraft von der Drehzahl
um die Drehachse abhängig.
Bei verglichen mit der Steifigkeit der Blattfeder großen Zentrifugalkräften aufgrund
einer großen
physikalischen Masse der Tilgermasse und/oder eines großen Abstands
der Tilgermasse von der Drehachse ist der drehzahlabhängige Anteil
der Steifigkeit ohne weiteres dominant und führt dazu, dass die Tilgereigenfrequenz
proportional zu der Drehzahl ansteigt. Der Proportionalitätsfaktor
kann dabei durch Abstimmung der Länge der Blattfeder und des
Abstands ihrer Einspannung an ihrem radial innen liegenden Ende
von der Drehachse beeinflusst und auf den jeweils gewünschten
Wert eingestellt werden.
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Wenn
die Blattfeder so an ihrem radial innen liegenden Ende eingespannt
ist, dass sie von der Drehachse weg frei ist, d. h. seitlich ausgelenkt
werden kann, kann bei dem neuen Drehschwingungstilger ein Proportionalitätsfaktor
zwischen der Drehzahl der Drehbewegung um die Drehachse und der
Tilgereigenfrequenz von 1 eingestellt werden. Auch dies gilt ohne
weiters aber nur für
größere Drehzahlen.
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Um
die Proportionalität
der Tilgereigenfrequenz und der Drehzahl auch bei kleineren Drehzahlen
zu realisieren, sind bei dem neuen Drehschwingungstilger Einrichtungen
zur Reduzierung der Querstreifigkeit der Blattfeder vorgesehen.
Diese sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie die Blattfeder
mit einer zwischen ihren Enden wirkenden Druckkraft beaufschlagen.
Dabei kann diese Druckkraft mit zunehmender Drehzahl der Drehbewegung
um die Drehachse abnehmen, da der neue Drehschwingungstilger bei
größeren Drehzahlen
sowieso die gewünschte
Proportionalität
zwischen Drehzahl und Tilgereigenfrequenz aufweist. Dies ist von
entscheidender Bedeutung, weil mit zunehmender Drehzahl um die Drehachse
sehr große
Zentrifugalkräfte
auftreten, die zwar als Zugkräfte
von der Blattfeder problemlos abgetragen werden können, die
aber nicht mehr sinnvoll mit zusätzlichen
Maßnahmen
der Größe nach einstellbar
sind. Dies ist bei kleineren Drehzahlen und den entsprechend kleineren
Fliegkräften
hingegen problemlos. Hier sorgt die Blattfeder des neuen Drehschwingungstilgers
aber auch bei reduzierter Quersteifigkeit für eine ausreichende Definition
der Lage, d. h. der Grundstellung der Tilgermasse.
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Konkret
können
die Einrichtungen, die die Blattfeder mit einer zwischen ihren Enden
wirkenden, mit zunehmender Drehzahl der Drehbewegung um die Drehachse
abnehmenden Druckkraft beaufschlagen, ein von der Drehachse beabstandetes
Masseelement aufweisen, wobei die Zentrifugalkraft auf das mit der
Drehbewegung um die Drehachse umlaufende Masseelement der Druckkraft
entgegenwirkt. So kann die Druckkraft beispielsweise durch eine
metallische Feder aufgebracht werden, die zwischen den Enden der
Blattfeder auf Zug beansprucht ist und auf die selbst Zentrifugalkräfte einwirken,
welche ihren Beitrag zur Quersteifigkeit der Blattfeder sukzessive bis
auf 0 reduzieren. Statt einer solchen Zugfeder kann auch ein anderes
Zugelement vorgesehen sein, um die Druckkraft zwischen den Enden
der Blattfeder aufzubringen. Insbesondere ist dabei das Zugelement
so auszubilden bzw. anzuhängen,
dass es die Querauslenkung der Blattfeder nicht behindert.
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Da
die Einrichtungen zur Reduzierung der Quersteifigkeit bei größeren Drehzahlen
um die Drehachse nicht benötigt
werden, können
sie bei diesen größeren Drehzahlen
auch gezielt deaktiviert werden, um die Anzahl der bei diesen größeren Drehzahlen
und den entsprechend hohen Zentrifugalkräften beweglichen Teile des
Drehschwingungstilgers zu reduzieren.
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Das
radial innen liegende Ende jeder Blattfeder ist bei dem neuen Drehschwingungstilger
vorzugsweise an einem an einer Welle befestigbaren Flansch eingespannt,
um Drehschwingungen eben dieser Welle zu unterdrücken.
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Regelmäßig wird
dabei nicht nur eine Blattfeder mit einer Tilgermasse, sondern eine
Mehrzahl von Tilgermassen und zugehörigen Blattfedern vorgesehen
sein, die drehsymmetrisch um die Drehachse herum angeordnet sind.
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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
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines neuen Drehschwingungstilgers in einer
ersten Ausführungsform.
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2 zeigt
den Verlauf der Eigenfrequenz des Drehschwingungstilgers gemäß 1 über der Drehzahl
einer Drehbewegung.
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3 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer zweiten Ausführungsform des neuen Drehschwingungstilgers.
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4 zeigt
einen Beitrag zur Eigenfrequenz des Drehschwingungstilgers gemäß 3 aufgrund einer
dort zusätzlich
wirkenden äußeren Druckkraft F;
und
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5 zeigt
die Überlagerung
des Beitrags gemäß 4 und
des Grundverlaufs der Tilgereigenfrequenz gemäß 2.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Bei
dem Drehschwingungstilger
1 gemäß
1 sind mehrere
Tilgermassen
2 in rotationssymmetrischer Anordnung jeweils über eine
Blattfeder
3 an einem Flansch
4 gelagert. In
1 ist
nur eine der Tilgermassen
2 mit der zugehörigen Blattfeder
3 dargestellt,
diese aber auch in einer zusätzlichen,
ausgelenkten Stellung, in der die Tilgermasse mit
2' und die Blattfeder
mit
3' bezeichnet
ist. In ihrer Grundstellung erstreckt sich die Blattfeder
3 in
einer Ebene, die radial zu der Drehachse
5 verläuft. Dabei
ist ihre Haupterstreckungsrichtung normal zu der Drehachse
5 ausgerichtet.
An ihrem radial innen liegenden einen Ende
8 ist die Blattfeder
3 in
einem Abstand R von der Drehachse
5 fest an dem Flansch
4 eingespannt. An
ihrem anderen, radial außen
liegenden Ende
9 trägt
die Blattfeder
3 die Tilgermasse
2. Der Flansch
4 ist
zur Befestigung an einer hier nicht dargestellten Welle vorgesehen,
die mit einer Drehzahl Ω um
eine Drehachse
5 umläuft.
Die Drehbewegung
6 um die Drehachse
5 ist in
1 durch
einen Drehpfeil angedeutet. Für
die Auslenkung f der Tilgermasse
2' gilt das Kräftegleichgewicht
wobei Q die jeweilige Querkraft
ist, P die auf die Tilgermasse
2 einwirkende Zentrifugalkraft,
I
T die Länge der
Blattfeder
3 und
ist.
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Hieraus
folgt für
die Tilgereigenfrequenz ω0 des Drehschwingungstilgers 1 gemäß 1 der
in 2 mit durchgezogener Linie skizzierte Verlauf über der
Drehzahl Ω,
der in einem markierten Bereich 7 der Drehzahl Ω deutlich
von der gewünschten
Proportionalität
zu der Drehzahl Ω (gestrichelte
Linie) abweicht. Im Bereich höherer
Drehzahlen Ω ist
diese Proportionalität
aber bereits bei dem Drehschwingungstilger 1 gemäß 1 gegeben.
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In 3 ist
zum einen skizziert, dass die Blattfeder 3 abweichend von 1 mit
ihrem radial innen liegenden Ende 8 nahe der Drehachse 5 eingespannt
ist. Zum anderen ist eine Druckkraft F angedeutet, die die Federenden 8 und 9 der
Blattfeder 3 zusammendrückt
und so ihre Quersteifigkeit reduziert. Die Druckkraft F führt so zu
einem negativen Beitrag zur effektiven Gesamtsteifigkeit der Blattfeder 3.
Der resultierende Beitrag zu der Tilgereigenfrequenz ω0 über
der Drehzahl Ω ist
in 4 dargestellt.
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In
der Überlagerung
beider Beiträge
zur Tilgereigenfrequenz ω
0 gemäß den
2 und
4 ergibt
sich der gewünschte
proportionale Kennlinienverlauf auch über den Bereich
7,
wie er aus
5 hervorgeht. Dort ist der effektive
Verlauf der Tilgereigenfrequenz mit durchgezogener Linie wiedergegeben,
während
die strichpunktierte Linie den Verlauf der Tilgereigenfrequenz gemäß
2 anzeigt.
Konkret ergibt sich für
das Gesamtsystem:
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Wird
der Grenzwert für
J·E → 0 betrachtet, folgt:
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Dabei
ist I der Abstand der Tilgermasse 2 von der Drehachse 5.
Gemäß 3 ist
dieser gleich der Länge
IT, so dass ω0 = Ω folgt.
Durch Abstimmung der Verhältnisse
der Längen
I und IT kann ansonsten ein gewünschter
Proportionalitätsfaktor
zwischen ω0 und Ω eingestellt
werden. Durch die Druckkraft F gemäß 3 wird die
jeweilige Proportionalität
auch bei sehr kleinen Drehzahlen Ω erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehschwingungstilger
- 2
- Tilgermasse
- 3
- Blattfeder
- 4
- Flansch
- 5
- Drehachse
- 6
- Drehbewegung
- 7
- Bereich
- 8
- Ende
- 9
- Ende
- 10
- Masseschwerpunkt
