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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungstilger, der für eine um eine Drehachse umlaufende Welle vorgesehen ist, um eine Schwingung der Welle um eine normal zu der Drehachse verlaufende Schwenkachse zu dämpfen, wobei der Schwingungstilger die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines solchen Schwingungstilgers zum Dämpfen einer Biegeschwingung einer Welle. Dabei ist die Biegeschwingung als eine spezielle Schwingung der Welle um eine normal zu ihrer Drehachse verlaufende Schwenkachse zu sehen. Zumindest umfasst eine Biegeschwingung eine solche Schwingung der Welle um eine normal zu ihrer Drehachse verlaufende Schwenkachse. Wenn die Biegeschwingung einen Schwingungsknoten aufweist, wie er durch ein Lager für die Welle vorgegeben sein kann, verläuft die Schwenkachse durch diesen Schwingungsknoten.
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Biegeschwingungen von Wellen treten auf einer Vielzahl von technischen Gebieten auf. Bei den Biegeschwingungen kann es sich um die wichtigsten Schwingungseigenformen der jeweiligen Wellen oder auch der gesamten die Wellen umfassenden Vorrichtungen handeln. Dies bedeutet, dass die Biegeschwingung der drehzahl- oder leistungslimitierende Faktor für die jeweilige Vorrichtung sein kann, weil die Welle nicht mit einer Drehzahl um ihre Drehachse umlaufen darf, bei der die Biegeschwingung eine Resonanzfrequenz aufweist, weil es sonst zu einer Resonanzkatastrophe kommt. Dabei kann die aktuelle Frequenz der Biegeschwingung unmittelbar der Drehzahl der Welle entsprechen oder eine Harmonische oder Subharmonische der Drehzahl sein. Unabhängig davon steigt die Frequenz der Biegeschwingung aber proportional mit der Drehzahl der Welle an.
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Um die Leistungsfähigkeit von Vorrichtungen mit zu Biegeschwingungen neigenden Wellen zu steigern, wäre es von großem Interesse, diese Biegeschwingungen effektiv zu dämpfen, um auch Resonanzfrequenzen ohne Komplikationen durchfahren zu können.
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STAND DER TECHNIK
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Es sind aktive Dämpfungsmaßnahmen zur Dämpfung von Schwingungen inklusive Biegeschwingungen einer Welle in deren Lagern bekannt, die das aktive Aufbringen gegenphasiger Kräfte auf den gelagerten Teil der Welle umfassen. Hierzu müssen spezielle Sensoren und Aktuatoren sowie eine geeignete, dazwischen geschaltete Ansteuervorrichtung bereitgestellt werden.
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Ein Schwingungstilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der
US 6,494,680 B2 bekannt. Hierbei handelt es sich um einen Schwingungstilger speziell für den Rotor eines Hubschraubers. Bei diesem werden wegen der periodisch veränderten Anstellung der um die vertikale Drehachse des Rotors umlaufenden Rotorblätter periodische Momente um horizontale Schwenkachsen hervorgerufen. Um diesen Momenten entgegenzuwirken, sind an einer Nabe des Rotors, die mit den Rotorblättern umläuft, Tilgermassen in vertikaler Richtung pendelnd gelagert. Die auf diese pendelnden Tilgermassen wirkenden Rückstellkräfte bzw. die damit einhergehenden Reaktionskräfte auf die Nabe resultieren aus dem Zentrifugalfeld aufgrund der Rotation um die vertikale Drehachse des Rotors. Die Eigenfrequenzen der pendelnd gelagerten Tilgermassen und auch die Eigenfrequenzen des gesamten Schwingungstilgers bei Schwingungen um die horizontalen Schwenkachsen hängen von der wirksamen, der sogenannten reduzierten Pendellänge ab. Zudem steigen die Eigenfrequenzen wegen der zunehmenden Feldstärke des Zentrifugalfelds proportional mit der Drehzahl an. So kann die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers mit Hilfe der Pendellänge auf die Frequenzen der um die horizontalen Schwenkachsen auftretenden Momente abgestimmt werden, die ebenfalls proportional mit der Drehzahl des Rotors ansteigen. Mit gegenläufigen Bewegungen der einander über die jeweilige Schwenkachse hinweg gegenüberliegenden Tilgermassen in Richtung der Drehachse des Rotors wirken die Tilgermassen den um diese Schwenkachse auftretenden Momenten entgegen. Der bekannte Schwingungstilger weist vier rotationssymmetrisch um die Drehachse des Rotors verteilte Tilgermassen auf, die jeweils zwischen zwei von vier ebenfalls rotationssymmetrisch um die Drehachse verteilten Rotorblättern angeordnet sind.
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Aus der
DE 10 2009 029 071 A1 ist ein Schwingungstilger für Schwingungen, die einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagert sind, bekannt. Dieser Schwingungstilger weist in rotationssymmetrischer Anordnung um die Drehachse mehrere um jeweils eine Pendelachse pendelnd gelagerte starre Pendel auf, wobei die Pendelachse mit der Drehbewegung in einem festen Abstand zu der Drehachse um die Drehachse umläuft. Die Pendel weisen eine derartige Masseverteilung um ihre Pendelachse auf, dass die Eigenfrequenz der Pendelbewegung um die Pendelachse im Zentrifugalfeld aufgrund der Drehbewegung um die Drehachse gleich der Drehfrequenz der Drehbewegung um die Drehachse ist. Die Pendelachsen können tangential zu einem Umfang um die Drehachse verlaufen. Die Pendel können untereinander gekoppelt sein. Dies kann durch elastische Kräfte, beispielsweise mittels elastischer Bänder erfolgen.
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Der aus der
DE 10 2009 029 071 A1 bekannte Schwingungstilger ist nur in seiner Funktion als Drehschwingungstilger beschrieben. Biegeschwingungen und deren Dämpfung werden nicht angesprochen. Auch ein Schwingen der einzelnen Pendel in unterschiedlichen Richtungen findet keine Erwähnung.
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Aus der
DE 10 2010 038 782 A1 ist ein Drehschwingungstilger für Schwingungen, die einer Drehbewegung um eine Drehachse überlagert sind, bekannt, der einen mit der Drehbewegung um die Drehachse umlaufenden Teil und in rotationssymmetrischer Anordnung um die Drehachse mehrere über jeweils einen Anbindungspunkt an dem umlaufenden Teil schwenkbar gelagerte starre zweiarmige Pendel aufweist. Die beiden starr miteinander verbundenen Arme des jeweiligen Pendels erstrecken sich in einer Grundstellung des Pendels in einander entgegen gesetzten Richtungen von dem Anbindungspunkt radial zu der Drehachse. Der radial nach außen weisende Arm jedes Pendels trägt eine Pendelmasse, und der radial nach innen weisende Arme trägt eine Ausgleichsmasse. Jedes Pendel ist in seinem Anbindungspunkt an einem Ende einer verformbaren Festkörperschnittstelle befestigt, die mit ihrem anderen Ende an dem umlaufenden Teil befestigt ist. Die verformbare Festkörperschnittstelle wird insbesondere von einer Blattfeder ausgebildet. Der bekannte Drehschwingungstilger weist insbesondere eine mindestens dreifache Rotationssymmetrie seiner Pendel auf. Typischerweise sind dabei jeweils drei auf eine gleiche Eigenfrequenz abgestimmte Pendel vorgesehen. Jedes Pendel kann in einer Pendelebene gegenüber dem umlaufenden Teil verschwenkbar sein, in der die Drehachse verläuft.
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Der aus der
DE 10 2010 038 782 A1 bekannte Drehschwingungstilger ist neben echten Drehschwingungen auch zur Dämpfung von Schwingungen in Richtung der Drehachse vorgesehen. Aber auch hier findet eine gegenläufige Schwingung der einzelnen Pendel keine Erwähnung. Mittels des zweiarmigen Pendels soll auch hier wie in der
DE 10 2009 029 071 A1 eine besonders tiefe Abstimmung der Tilgereigenfrequenz erreicht werden.
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Aus der
DE 10 2010 040 175 A1 ist ein Schwingungstilger mit variabler Tilgereigenfrequenz zum Tilgen von Schwingungen in Richtung einer Tilgerwirkachse bekannt. Der Schwingungstilger weist mehrere in Richtung der Tilgerwirkachse pendelnd gelagerte Tilgermassen und einen Motor zum Einstellen einer Tilgereigenfrequenz in Richtung der Tilgerwirkachse auf. Die Tilgermassen sind an einer Nabe pendelnd gelagert, die um die Tilgerwirkachse drehbar aber in Richtung der Tilgerwirkachse ortsfest gelagert ist. Der Motor versetzt die Nabe mit unterschiedlichen Drehzahlen in Rotation um die Tilgerwirkachse, um unterschiedliche Tilgereigenfrequenzen in Richtung der Tilgerwirkachse einzustellen. Die Tilgermassen sind in einer rotationssymmetrischen Anordnung um die Tilgerwirkachse angeordnet. Dabei sind besonders bevorzug drei oder sechs Tilgermassen vorgesehen.
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Aus der
DE 696 01 892 T2 ist eine Schwingungsdämpfer-Vorrichtung für einen Hubschrauberrotor bekannt. Dabei weist die Vorrichtung drei rotationssymmetrisch um die Rotorachse angeordnete Arme auf, die drehfest mit einer Nabe des Rotors verbunden sind. An den Armen sind Pendelkörper um parallel zur Rotorachse verlaufende Pendelbewegungsachsen pendelnd gelagert.
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Aus der
US 2010/0296931 A1 ist eine Schwingungstilgeranordnung für einen Hubrotor bekannt, die zwei oder drei rotationssymmetrisch um die Rotorachse angeordnete Tilgermassenanordnung aufweist. Jede Tilgermassenanordnung ist über einen Biegearm an einer Nabe gelagert, die mit dem Hubrotor umläuft. Die Biegearme sind zur Durchbiegung in Umlaufrichtung ausgebildet. Die Tilgermassen der Tilgermassenanordnungen sind an den freien Enden der Biegearme parallel zu der Rotorachse geführt und durch Schraubenfedern elastisch abgestützt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungstilger aufzuzeigen, der für die Dämpfung von Biegeschwingungen einer Welle besonders geeignet ist, welche zwar mit einer Frequenz in fester Relation zur Drehzahl der Welle auftreten, bei welchen aber die Ausrichtung der normal zu der Drehachse verlaufenden Schwenkachse, um die die Welle schwingt, in Umfangsrichtung um die Drehachse nicht vorgegeben ist. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass der aus der
US 6,494,680 B2 bekannte Schwingungstilger für Schwenkachsen, die nicht genau mittig zwischen den pendelnd gelagerten Tilgermassen zu der Drehachse verlaufen, deutlich andere Tilgereigenfrequenzen aufweist. Die Tilgereigenfrequenz steigt dabei gegenüber ihrem Minimalwert um bis zu etwa 40% an. Eine solche Abweichung der Tilgereigenfrequenz von der Frequenz der zu dämpfenden Schwingung hat eine dramatische Verschlechterung der Wirksamkeit des Schwingungstilgers zur Folge.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Schwingungstilger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 13 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers. Die Patentansprüche 14 und 15 betreffen bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem Schwingungstilger, der für eine um eine Drehachse umlaufende Welle vorgesehen ist, um eine Schwingung der Welle um eine normal zu der Drehachse verlaufende Schwenkachse zu dämpfen, wobei der Schwingungstilger mehrere Tilgermassen aufweist, die in Richtung parallel zur Drehachse pendelnd an einer mit der Welle umlaufen Nabe gelagert sind, sind die Tilgermassen und ihre Pendellagerung an der Nabe erfindungsgemäß derart gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Nabe herum verteilt, dass eine Tilgereigenfrequenz für die Schwingung um die normal zu der Drehachse verlaufende Schwenkachse im Wesentlichen unabhängig von einer Ausrichtung der Schwenkachse in Umfangsrichtung um die Drehachse ist.
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Dies ist insbesondere so zu verstehen, dass die Tilgereigenfrequenz für die Schwingung um die normal zu der Drehachse verlaufende Schwenkachse mit der Ausrichtung der Schwenkachse in Umfangsrichtung um die Drehachse auf nicht mehr als 110%, vorzugsweise auf nicht mehr als 105% und am meisten bevorzugt auf nicht mehr als 102% ihres Minimalwerts ansteigt. Bei dem Minimalwert der Tilgereigenfrequenz ist die reduzierte Pendellänge der Gesamtheit der an der jeweiligen Schwingung beteiligten Tilgermassen und auch die kollektive Wirksamkeit aller Tilgermassen des Schwingungstilgers maximal.
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Neben der Erkenntnis, dass ein Schwingungstilger mit nur vier pendelnd gelagerten Tilgermassen recht unterschiedliche Tilgereigenfrequenzen für verschiedene Richtungen der normal zu der Drehachse verlaufenden Schwenkachse aufweist, basiert die vorliegende Erfindung auf der weiteren Erkenntnis, dass es zur Behebung dieses Mangels darauf ankommt, sowohl die Tilgermassen als auch ihre Pendellagerung an der Nabe möglichst gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Nabe herum zu verteilen.
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Unter Anwendung dieser Erkenntnisse gelingt es dann leicht, dafür zu sorgen, dass eine Wirksamkeit des Schwingungstilgers unabhängig von der Ausrichtung der Schwenkachse in Umfangsrichtung um die Drehachse in gleichem Maße gegeben ist. Dies bedeutet nicht zwingend, dass die Wirkung für alle Ausrichtungen der Schwenkachse in Umfangsrichtung um die Drehachse exakt identisch ist. Vielmehr ist hier eine gewisse Variation solange tolerabel, wie der Wirksamkeitsbereich des Schwingungstilgers um seine Tilgereigenfrequenz, der auch von der Dämpfung des Tilgers bestimmt wird, die Frequenz der Schwingung der Welle um die normal zu der Drehachse verlaufende Schwenkachse noch sicher abdeckt. Als hinreichendes Kriterium kann hier gelten, dass die Wirksamkeit des Schwingungstilgers mit der Ausrichtung der Schwenkachse in Umfangsrichtung um die Drehachse auf nicht weniger als 75%, vorzugsweise auf nicht weniger als 90% und am meisten bevorzugt auf nicht weniger als 96% ihres Maximalwerts absinkt.
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Konkret sind bei dem erfindungsgemäßen Schwingungstilger zum Erreichen dieser Ziele mindestens sieben Tilgermassen in rotationssymmetrischer Anordnung um die Drehachse pendelnd an der Nabe gelagert.
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Die Lagerung der Tilgermassen an der Nabe kann grundsätzlich flexibel und als solche ohne Reaktionskräfte auf die pendelnde Auslenkung der Tilgermassen sein. Die auf das Pendel wirkenden Rückstellkräfte und die daraus resultierenden in die Nabe und darüber in die Welle eingekoppelten Kräfte beruhen dann ausschließlich auf dem Zentrifugalfeld, in dem die Tilgermassen mit der Welle um die Drehachse umlaufen. Allein, um auch beim Stillstand und sehr kleiner Drehzahl der Welle eine definierte Ausrichtung der Tilgermassen gegenüber der Nabe zu erreichen, ist es jedoch bevorzugt, wenn die Lagerung der Tilgermassen an der Nabe in Richtung parallel zu der Drehachse elastisch ist, d. h. die Tilgermassen durch elastische Rückstellkräfte in eine Position mit maximalem Abstand zu der Drehachse beaufschlagt werden.
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Bei dem neuen Schwingungstilger ist die Lagerung der Tilgermassen an der Nabe in Umfangsrichtung um die Nabe vorzugsweise steif, d. h. eine Relativverschiebung der Tilgermassen gegenüber der Nabe in Umfangsrichtung wird möglichst vermieden. Dies entspricht der vorgesehenen Verwendung des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers nicht als Schwingungstilger für Drehschwingungen, sondern für Biegeschwingungen.
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Konkret kann die Lagerung der Tilgermassen für jede Tilgermasse einen diskreten Pendelarm aufweisen. Dieser Pendelarm ist vorzugsweise als endseitig an der Nabe und der Tilgermasse eingespannter Federarm mit kleinster Steifigkeit parallel zu der Drehachse und großer Steifigkeit in Umfangsrichtung um die Drehachse ausgebildet. Seine maximale Steifigkeit weist jeder Pendelarm jedoch in Richtung radial zu der Drehachse auf. Eine Abstandsveränderung der Tilgermasse zu der Drehachse soll grundsätzlich nur auf der Pendelbewegung der Tilgermasse beruhen. Anderenfalls nimmt die Tilgereigenfrequenz wegen einer durch Dehnung zunehmenden Pendellänge nur unterproportional zur Drehzahl zu. Beispielsweise können die einzelnen Federarme als Blattfedern ausgebildet sein. Sie können aber auch mehrere parallel zueinander verlaufende Federelemente von rundem Querschnitt aufweisen.
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Die Lagerung der Tilgermassen kann alternativ auch eine ringförmige Membran aufweisen, die mit ihrem Innenumfang an die Nabe angebunden ist und an deren Außenumfang die Tilgermassen angebunden sind. Eine solche Membran kann nicht nur flexibel, sondern auch elastisch verformbar sein. In radialer Richtung von der Drehachse weg sollte sie aber in jedem Fall eine maximale Steifigkeit aufweisen. In dieser Richtung kann sie zum Beispiel durch radial zur Drehachse verlaufende Verstärkungsfasern verstärkt sein, die in eine Matrix der Membran eingebettet sein können.
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Die einzelnen Tilgermassen können sich in Richtung ihres Abstands untereinander aneinander abstützen. Mit dieser elastischen Abstützung ist hier ganz allgemein eine Kopplung nächst benachbarter Tilgermassen untereinander gemeint. Bei einem erfindungsgemäßen Schwingungstilger ist die Amplitude der Pendelbewegung der Tilgermassen maximal, die den maximalen Abstand zu der Schwenkachse aufweisen, um die die zu dämpfende Biegeschwingung erfolgt. Zugleich ist die Amplitude der Pendelbewegung bei den Tilgermassen minimal oder sogar null, die nahe oder auf dieser Schwenkachse liegen. Der Amplitudenverlauf in Umfangsrichtung um die Drehachse ist dabei stetig. Das heißt, er nimmt zwischen den am nächsten an der Schwenkachse liegenden Tilgermassen bis zu den am weitesten davon entfernt liegenden Tilgermassen kontinuierlich zu, wobei sich die Richtung der Auslenkung nur über die Schwenkachse hinweg ändert. Das heißt, benachbarte Tilgermassen weisen ähnliche aktuelle Pendelausschläge auf. Durch eine Kopplung wird daher das Verhalten des Schwingungstilgers nicht grundsätzlich verändert. Der mechanische Stabilität des Schwingungstilgers und seine Ausrichtung auf das Dämpfen speziell von Schwingungen um quer zu der Drehachse verlaufende Schwenkachsen können dadurch jedoch unterstützt werden.
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Zudem kann dadurch, dass sich die Tilgermassen in Umfangsrichtung um die Drehachse unter elastischer Vorspannung aneinander abstützen, eine in Bezug auf die Auslenkung der Tilgermassen in Pendelrichtung negative Steifigkeit eingeführt werden. Mit dieser negativen Steifigkeit kann eine positive Steifigkeit aufgrund der Lagerung der Tilgermassen an elastischen Federarmen kompensiert werden, die zumindest im Bereich kleiner Drehzahlen zu einer Abweichung der Tilgereigenfrequenz von derjenigen eines Schwingungstilgers mit idealen Pendeln führt, die nur von der reduzierten Pendellänge und der Drehzahl um die Drehachse abhängt.
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Die Tilgermassen des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers können zu einem Kreisring um die Drehachse angeordnet werden. Dieser Kreisring kann um die Drehachse herum geschlossen sein. Er muss jedoch in jedem Fall dehnbar sein, damit sich einerseits die Fliehkräfte auf die Tilgermassen auf deren pendelnde Lagerung an der Nabe auswirken können und damit andererseits eine natürlich auftretende Auslenkung der einzelnen Tilgermassen gegenüber der Nabe, die von einer Verkippung einer Scheibe um die Schwenkachse der zu dämpfenden Schwingungen abweicht, möglich ist.
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Wenn die Tilgermassen Segmente eines dehnbaren Kreisrings sind, kann dieser so ausgeführt sein, dass einzelne starre Massen durch dehnbare Zwischenelemente verbunden sind. Es ist aber auch möglich, die Tilgermasse in Form kleinerer Einheiten in eine elastische Matrix des Kreisrings einzubetten, bis zur homogenen Verteilung der Tilgermassen in der elastischen Matrix. Dabei kann die Matrix in Umfangsrichtung durch gewellte Verstärkungsfasern eine gestufte Steifigkeit aufweisen, so dass sie sich beispielsweise nur um ein gewissen Maß dehnt, bevor sie von den dann gestreckten Verstärkungsfasern sicherheitshalber an einer weiteren, ihre Struktur gefährdenden Dehnung gehindert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungstilger sind bevorzugt mindestens neun und am meisten bevorzugt mindestens elf diskrete Tilgermassen in rotationssymmetrischer Anordnung um die Drehachse pendelnd an der Nabe gelagert.
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In der Verwendung des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers zum Dämpfen einer Biegeschwingung einer Welle wird die Nabe des Schwingungstilgers vorzugsweise nahe einem Knoten der Biegeschwingung angeordnet, d. h. dort, wo die Winkeländerungen um die Schwenkachse der Biegeschwingung besonders groß sind. Wenn Biegeschwingungen einer frei endenden Welle mit dem erfindungsgemäßen Schwingungstilger gedämpft werden sollen, ist für den Ort der Anbringung des Schwingungstilgers entsprechend darauf zu achten, dass hier die Winkeländerungen möglichst groß sind. Auf große Lageänderungen der Welle aufgrund der Biegeschwingung kommt es hingegen für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers nicht an. Diese können vielmehr kontraproduktiv sein.
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Es versteht sich, dass ein erfindungsgemäßer Schwingungstilger mit seiner Tilgereigenfrequenz auf die Frequenz der zu dämpfenden Biegeschwingung abzustimmen ist. Dies bedeutet konkret, dass die drehzahlproportionale Tilgereigenfrequenz für die Schwingung um die normal zu der Drehachse verlaufende Schwenkachse auf eine drehzahlproportionale Frequenz der jeweiligen Biegeschwingung abzustimmen ist. Dabei ist zu beachten, dass die Tilgereigenfrequenz für die relevanten Schwingungen um quer zu der Drehachse verlaufende Schwenkachsen nicht die Eigenfrequenz der einzelnen Tilgermassen ist, sondern durch eine reduzierte Pendellänge der Gesamtheit aller an der jeweiligen Schwingung beteiligten Tilgermassen bestimmt wird. Durch die gemeinsame Drehzahlproportionalität der Tilgereigenfrequenz und der Frequenz der Biegeschwingung wird die Biegeschwingung über alle Drehzahlen der Welle hinweg und damit auch über etwaige Eigenfrequenzen der Biegeschwingung hinweg gedämpft.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung 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. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: 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.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers in einer axialen Draufsicht.
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2 ist ein axialer Längsschnitt durch den Schwingungstilger gemäß 1.
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3 ist eine axiale Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers.
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4 ist eine axiale Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers.
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5 ist eine axiale Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers.
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6 ist ein axialer Längsschnitt durch den Schwingungstilger gemäß 5.
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7 skizziert die Biegeschwingung einer an ihren beiden Enden gelagerten Welle mit daran angeordneten Schwingungstilgern; und
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8 illustriert eine Biegeschwingung einer nur einseitig gelagerten Welle mit daran angeordnetem Schwingungstilger.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 dargestellte Schwingungstilger 1 weist acht Tilgermassen 2 in achtfach rotationssymmetrischer Anordnung um eine Drehachse 3 auf. Dabei sind die Tilgermassen 2 jeweils über einen Federarm 4, dessen Haupterstreckungsrichtung radial zu der Drehachse 3 verläuft und der als Blattfeder 5 ausgebildet ist, an einer zentralen Nabe 6 gelagert. In einer nicht ausgelenkten Grundstellung der Tilgermassen 2 verlaufen die Blattfedern 5 gemeinsam in einer normal zu der Drehachse 3 verlaufenden Ebene. Das heißt, die Tilgermassen 2 sind parallel zu der Drehachse 3 und damit senkrecht zu der Zeichenebene gemäß 1 elastisch an der Nabe 6 abgestützt, wobei diese Abstützung weich ist. In Umfangsrichtung um die Drehachse 3 ist die Abstützung hingegen steif, und auch der Abstand zwischen der Nabe 6 und den Tilgermassen 2 ist durch die Blattfedern 5 fest vorgegeben. Der Schwingungstilger 1 gemäß 1 ist dazu vorgesehen, mit seiner Nabe 6 auf einer um die Drehachse 3 umlaufenden Welle angeordnet zu werden, um Schwingungen dieser Welle um eine normal zu der Drehachse 3 verlaufende Schwenkachse zu dämpfen. Dabei geht es konkret um die Dämpfung solcher Schwingungen, deren Frequenz proportional mit der Drehzahl der Welle ansteigt. Indem die Steifigkeit der Ankopplung der Tilgermassen 2 an die Nabe 6 in einem Zentrifugalfeld um die Drehachse 3 ebenfalls ansteigt, erhöht sich auch die Eigenfrequenz der einzelnen Tilgermassen 2 und damit die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1. Diese Erhöhung ist trotz der zusätzlichen Elastizität der Blattfedern 5 zumindest im höheren Drehzahlbereich proportional zur Drehzahl. Bei geeigneter Grundabstimmung der Tilgereigenfrequenz wird daher eine Schwingung einer Welle, deren Frequenz mit der Drehzahl der Welle ansteigt, unabhängig von der aktuellen Drehzahl gedämpft.
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2 zeigt mit Pfeilen 7 an, wie die Tilgermassen 2 bei einer durch einen Drehpfeil 8 angedeuteten Schwingung um eine normal zu der Drehachse 3 verlaufenden Schwenkachse 9 abhängig von ihrem Abstand von der Schwenkachse 9 unterschiedlich weit ausgelenkt werden, wobei diese Auslenkung gegenphasig zu der Schwingung 8 erfolgt und so Gegenkräfte zur Reduktion der Schwingung 8 hervorruft.
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Durch die acht Tilgermassen 2 des Schwingungstilgers 1 gemäß den 1 und 2 ist die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1 bei der Schwingung um die Schwenkachse 9 aufgrund der vergleichsweise gleichmäßigen Verteilung der Tilgermassen 2 und ihrer Lagerung an der Nabe 6 um die Drehachse 3 zwar im Wesentlichen immer gleich, d. h. unabhängig von der Lage der Schwenkachse 9 in Umfangsrichtung um die Drehachse. Eine gewisse Variation der Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1 stellt sich aber mit Variation der Ausrichtung der Schwenkachse 9 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 doch noch ein.
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Bei der Ausführungsform des Schwingungstilgers 1 gemäß 3 ist dieser Effekt weiter unterdrückt, indem hier insgesamt zwölf Tilgermassen 2 vorgesehen sind. Diese Tilgermassen 2 sind hier über jeweils einen Federarm 4 an der Nabe 6 gelagert, durch elastische Elemente 11 in Richtung ihres Abstands aneinander abgestützt und zusammen mit den elastischen Elementen 11 in einer schlauchförmigen Umhüllung 12 angeordnet. Dabei sind die Federarme 4 jeweils aus drei Federdrähten 10 von kreisrundem Querschnitt ausgebildet, die in einer gemeinsamen Ebene radial zu der Drehachse 3 zwischen der Nabe 6 und der jeweiligen Tilgermasse 2 verlaufen und so eine Lagerung der Tilgermassen 2 mit ähnlichen Steifigkeiten wie bei der Lagerung durch die Blattfedern 5 gemäß 1 bereitstellen. Die schlauchförmige Umhüllung 12 ist in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 elastisch dehnbar. Die elastischen Elemente 11 können in der nicht ausgelenkten Grundstellung der Tilgermassen 2 so unter Vorspannung in Umfangsrichtung stehen, dass sie eine positive Steifigkeit der Federdrähte 10 durch eine resultierende negative Steifigkeit gerade kompensieren. Zudem können sie auch die positive Steifigkeit der elastisch dehnbaren Umhüllung 12 ausgleichen.
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Bei dem Schwingungstilger 1 gemäß 4 sind die Tilgermassen 2 20 gleichmäßig um die Drehachse 3 herum verteilte Kugeln, die am Außenumfang einer Membran 13 befestigt sind, deren Innenumfang an die Nabe 6 angebunden ist. Dabei ist die Membran 13 in radialer Richtung zu der Drehachse 3 durch Verstärkungsfasern 21 versteift. Grundsätzlich ist die Membran 13 flexibel, und sie kann außer in der radialen Richtung zu der Drehachse 3 auch elastisch dehnbar sein.
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Bei dem in den 5 und 6 dargestellten Schwingungstilger 1 sind die Tilgermassen 2 in Form kleiner Einheiten in einen Kreisring 14 eingebettet, der an den Außenumfang der Membran 13 angebunden ist. Dabei ist der Kreisring 14 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 so weit dehnbar, dass in dem Zentrifugalfeld um die Drehachse 3 auf die Tilgermassen 2 auftretende Fliehkräfte nicht über den Kreisring 14 aneinander abgestützt werden. Dies impliziert, dass eine solche Abstützung in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 auch nicht durch den Außenumfang der Membran 13 erfolgen darf. 6 zeigt in einer 2 entsprechenden Darstellung die Auslenkung des Kreisrings 14 gegenüber der Nabe 6 bei der durch den Drehpfeil 8 angedeuteten Schwingung um die Schwenkachse 9. Die weniger stark ausgelenkten Tilgermassen 2 bzw. Bereiche des Kreisrings 14 sind bei der Dämpfung dieser Schwingung im Wesentlichen inaktiv. Sie sind aber erforderlich, um die Funktion des Schwingungstilgers 1 unabhängig von der Ausrichtung der Schwenkachse 9 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 sicherzustellen. Die Ausführungsform des Schwingungstilgers 1 gemäß den 5 und 6 stellt eine Tilgereigenfrequenz für die Schwingungen um die Schwenkachse 9 sicher, die völlig unabhängig von der aktuellen Ausrichtung der Schwenkachse 9 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 ist.
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7 skizziert eine Welle 15, die in zwei Lagern 16 an ihren Enden gelagert ist und zwischen den Lagern eine durch Pfeile 17 angedeutet Biegeschwingung vollführt, deren Knoten in den Lagern 16 liegen. An und nahe den Lagern 16 ist die Winkeländerung der Welle 15 gegenüber der Drehachse 3 maximal. Hier sind daher die besten Voraussetzungen zum Anbringen von Schwingungstilgern 1 zum Dämpfen der gezeigten Biegeschwingung gegeben. Dabei können die Schwingungstilger 1 auf einer Seite oder beiden Seiten eines Lagers und an einem Ende oder beiden Enden der Welle mit ihren Naben 6 drehfest auf der Welle angeordnet werden.
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8 skizziert ein freies Ende 18 einer Welle 15, das aufgrund einer durch Pfeile 19 angedeuteten Unwucht in Richtung der Pfeile 17 schwingt. Hier tritt die größte Winkeländerung gegenüber der Drehachse 3 am freien Ende 18 auf. Mit den kleinsten Auslenkungen ist sie aber näher an den Schwerpunkt 20 der schwingenden Masse verbunden. In dessen Nähe wird daher sinnvollerweise der Schwingungstilger 1 mit seiner Nabe 6 auf der Welle 15 festgelegt. Es versteht sich, dass der Schwingungstilger 1 in jedem Fall Arbeitsraum in Richtung der Drehachse 3 beansprucht, in der die Auslenkung seiner Tilgermassen 2 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingungstilger
- 2
- Tilgermasse
- 3
- Drehachse
- 4
- Federarm
- 5
- Blattfeder
- 6
- Nabe
- 7
- Pfeil
- 8
- Drehpfeil/Schwingung
- 9
- Schwenkachse
- 10
- Federdraht
- 11
- elastisches Element
- 12
- Umhüllung
- 13
- Membran
- 14
- Kreisring
- 15
- Welle
- 16
- Lager
- 17
- Pfeil
- 18
- freies Ende
- 19
- Pfeil
- 20
- Schwerpunkt
- 21
- Verstärkungsfaser
