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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehschwingungstilger für Drehschwingungen einer um eine Drehachse umlaufenden Welle mit einer an der Welle festzulegenden Nabe und mehreren über jeweils einen Haltearm pendelnd an der Nabe gelagerten Tilgermassen, wobei die Tilgermassen eine Ausgangslage aufweisen, in der sich die Haltearme radial zu der Drehachse von der Nabe weg nach außen erstrecken und aus ihrer Ausgangslage in Umfangsrichtung um die Drehachse auslenkbar sind, und wobei die Tilgermassen untereinander elastisch gekoppelt sind.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Drehschwingungstilger mit einzelnen über radial ausgerichtete Arme an einer Nabe gelagerten Tilgermassen weist aufgrund der auf die Tilgermassen einwirkenden Fliehkräfte eine mit zunehmender Drehzahl um die Drehachse zunehmende Tilgereigenfrequenz auf. Damit kann grundsätzlich erreicht werden, dass die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers immer in einem festen Verhältnis zu der Drehzahl der zu bedämpfenden Welle steht. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz über die Länger der Haltearme zumindest für höhere Drehzahlen auf jeweils das Doppelte der aktuellen Drehzahl eingestellt werden. Mit Hilfe der Masseverteilung der Tilgermasse bezüglich der Pendelachse, um die die Tilgermasse pendelnd gegenüber der Nabe gelagert ist, kann auch eine Tilgereigenfrequenz erreicht werden, die immer gleich der Drehzahl der Welle ist. Die dabei effektive Pendelachse erstreckt sich nur bei einem starren Haltearm durch ein Gelenk, über das der Haltearm an der Nabe gelagert ist. Bei einem als Federarm ausgebildeten Haltearm, der starr an der Nabe eingespannt ist, verläuft die effektive Pendelachse beispielsweise im Abstand zu der Nabe, siehe
WO 2012/016955 A1 .
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Ein Drehschwingungstilger mit den Merkmalen der eingangs beschriebenen Art, die dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 entspricht, ist aus der
WO 2011/026873 A2 bekannt. Auch hier weisen die Tilgermassen jeweils eine derartige Masseverteilung um ihre Pendelachsen auf, dass die Eigenfrequenz ihrer Pendelbewegung um die Pendelachse im Zentrifugalfeld aufgrund der Drehbewegung der Welle um die Drehachse gleich der Drehzahl der Welle um die Drehachse ist. Die Tilgermassen sind untereinander durch elastische Kräfte, beispielsweise mittels elastischer Bänder, gekoppelt. Hierdurch wird eine Grundordnung der Tilgermassen zueinander auch ohne Zentrifugalfeld, d. h. bei nicht rotierender Welle, erreicht. Für die Haltearme der Tilgermassen sind bei dem bekannten Drehschwingungstilger Schwenklager an der Nabe vorgesehen, die die Pendelachsen definieren. Diese Schwenklager sind bei hohen Drehzahlen der zu bedämpfenden Welle hohen Kräften ausgesetzt, die dazu führen, dass die Tilgermassen ihre Pendelbewegung nur unter Überwindung von Losbrechkräften aufnehmen können, und die so die Lebensdauer des Drehschwingungstilgers beeinträchtigen.
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Aus der bereits angeführten
WO 2012/016955 A1 ist ein Drehschwingungstilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt, wobei die Tilgermassen aber nur über die Nabe untereinander elastisch gekoppelt sind, indem jede Tilgermasse über eine verformbare Festkörperschnittstelle an der Nabe gelagert ist. Eine solche verformbare Festkörperschnittstelle erlaubt es den Tilgermassen, ihre Pendelbewegung ohne das Überwinden von Losbrechkräften auszunehmen. Eine solche Festkörperschnittstelle kann ein Festkörpergelenk zwischen der Nabe und dem Haltearm der jeweiligen Tilgermasse sein. Sie kann aber auch durch einen als Federarm ausgebildeten Haltearm für die Tilgermasse ausgebildet sein, der starr an der Nabe und der Tilgermasse eingespannt ist. Eine solche Festkörperschnittstelle erfordert zwar nicht die Überwindung von Losbrechkräften, weist aber eine Steifigkeit auf, die neben der Fliehkraft auf die Tilgermasse in die Tilgereigenfrequenz des bekannten Drehschwingungstilgers eingeht und diese insbesondere bei kleinen Drehzahlen erheblich beeinflusst. Im Ergebnis wird ein festes Verhältnis zwischen Tilgereigenfrequenz und Drehzahl der zu bedämpfenden Welle bei kleinen Drehzahlen verfehlt.
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Aus der
WO 2011/02687 A2 ist ebenfalls ein Drehschwingungstilger bekannt, der dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 entspricht, wobei die Tilgermassen nur über die Nabe untereinander elastisch gekoppelt sind. Hier sind die Haltearme starr an der Nabe und den Tilgermassen eingespannte Blattfedern. Die Blattfedern erstrecken sich in der Ausgangslage der Tilgermassen parallel und radial zu der Drehachse. Um den Einfluss der Steifigkeit der Blattfeder auf die Tilgereigenfrequenz insbesondere bei kleinen Drehzahlen der Welle und entsprechend kleinen Fliehkräften zu reduzieren, wird die Blattfeder zwischen ihren Enden mit einer Druckkraft beaufschlagt. Diese Druckkraft wird beispielsweise mit einer Zugfeder aufgebracht und stellt für die Auslenkung der Tilgermassen aus ihren Ausgangslagen in Umfangsrichtung um die Drehachse eine der positiven Steifigkeit der Blattfedern überlagerte negative Steifigkeit bereit. Im Bereich der Ausgangslage der Tilgermassen kann die Summe dieser Steifigkeiten null sein, so dass die Steifigkeit der Blattfedern effektiv keinen Einfluss auf die Tilgereigenfrequenz des Drehschwingungstilgers hat. Die praktische Bereitstellung von zwischen den Enden der Blattfedern wirkenden Druckkräften erweist sich jedoch als schwierig.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehschwingungstilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem Steifigkeiten oder Losbrechkräfte der Lagerung der Tilgermassen an der Nabe auf konstruktiv einfache Weise durch negative Steifigkeiten kompensiert werden.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Drehschwingungstilger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehschwingungstilgers sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Drehschwingungstilger für Drehschwingungen einer um eine Drehachse umlaufenden Welle mit einer an der Welle festzulegenden Nabe und mehreren über jeweils einen Haltearm pendelnd an der Nabe gelagerten Tilgermassen, wobei die Tilgermassen eine Ausgangslage aufweisen, in der sich die Haltearme radial zu der Drehachse von der Nabe weg nach außen erstrecken, und aus ihrer Ausgangslage in Umfangsrichtung um die Drehachse auslenkbar sind, sind jeweils zwei in Umfangsrichtung um die Drehachse aufeinander folgende Tilgermassen durch ein Federelement elastisch gekoppelt, das zwischen den in ihrer Ausgangslage befindlichen Tilgermassen in Umfangsrichtung um die Drehachse vorgespannt ist und das sich an mindestens einer der beiden Tilgermassen an einem Querarm abstützt, der sich in der Ausgangslage der Tilgermassen so weit von dem Haltearm der einen Tilgermasse weg zu der anderen Tilgermasse hin erstreckt, dass das vorgespannte Federelement eine negative Steifigkeit für Ausschläge der Tilgermassen aus ihrer Ausgangslage bereitstellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehschwingungstilger wird nicht versucht, direkt die Lagerung der Tilgermassen an der Nabe einzuwirken, um deren Steifigkeit oder Losbrechkräfte durch eine negative Steifigkeit zu kompensieren. Vielmehr wird diese negative Steifigkeit direkt zwischen den Tilgermassen bereitgestellt. Hierzu sind auf Druck vorgespannte Federelemente zwischen den Tilgermassen vorgesehen. Ohne weiteres bewirken diese auf Druck vorgespannten Federmassen aber noch keine negative Steifigkeit für Auslenkungen der Tilgermassen aus ihrer Ausgangslage. Diese negative Steifigkeit wird erst dadurch erreicht, dass sich die Federelemente an mindestens einer der beiden in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Tilgermassen über einen Querarm abstützt, der sich in der Ausgangslage der Tilgermassen in ausreichendem Maße von dem Haltearm der einen Tilgermasse weg zu der anderen Tilgermasse hin erstreckt. Dieser Querarm führt dazu, dass sich die Anbindungspunkte des jeweiligen Federelements an die Tilgermassen bei gleichsinniger und gleich großer Auslenkung der Tilgermassen aus ihrer Ausgangslage gegenüber der Nabe voneinander entfernen. Dies hat zur unmittelbaren Folge, dass die Auslenkung der Tilgermassen aus ihrer Ausgangslage im Sinne einer negativen Steifigkeit durch das auf Druck vorgespannte Federelement unterstützt wird. Die hierfür notwendige Länge des Querarms hängt von den Details der Lagerung der Tilgermassen über ihre Haltearme an der Nabe ab. Hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen.
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Vorzugsweise stützt sich das Federelement bei dem erfindungsgemäßen Drehschwingungstilger an beiden zugehörigen Tilgermassen an jeweils einem Querarm ab, der sich in der Ausgangslage der Tilgermassen von dem Haltearm der einen Tilgermasse weg zu der jeweils anderen Tilgermasse hin erstreckt. Hierdurch wird eine symmetrische und damit drehrichtungsund pendelrichtungsunabhängige Anordnung erreicht.
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Bei dem neuen Drehschwingungstilger können die Haltearme jeweils gelenkig an der Nabe gelagert sein. Dabei ist zur Vermeidung von Haftreibung und entsprechenden Losbrechkräften die Lagerung über Festkörpergelenke bevorzugt. Diese Festkörpergelenke weisen dann ebenso wie grundsätzlich auch verwendbare mehrteilige Gelenke parallel zu der Drehachse verlaufende Pendelachsen auf.
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Bei der gelenkigen Lagerung der Tilgermassen an der Nabe ist die Länge des oder der Querarme so zu wählen, dass sich das jeweilige Federelement in der Ausgangslage der Tilgermassen an Abstützpunkten abstützt, die einen Abstand aufweisen, der kleiner als der Abstand der Gelenke der Haltearme an der Nabe ist, um die gewünschten negative Steifigkeit mit dem Federelement bereitzustellen. Vorzugsweise ist der Abstand der Abstützpunkte mindestens 10 % und noch mehr bevorzugt mindestens 20 % kleiner als der Abstand der Gelenke der Haltearme an der Nabe.
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Die Haltearme der Tilgermassen des erfindungsgemäßen Drehschwingungstilgers können auch biegsame Federarme sein. Diese Federarme lagern dann die Tilgermassen über ihre Verformbarkeit pendelnd an der Nabe. Sie können daher an der Nabe und der jeweiligen Tilgermasse starr eingespannt sein.
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Insbesondere kann es sich bei den Federarmen um Blattfedern handeln, die in der Ausgangslage der Tilgermassen in Richtung der Drehachse und radial dazu ausgerichtet sind und so die Tilgermassen in einer Rotationsebene um die Drehachse führen.
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Bei Ausbildung der Haltearme als Federarme müssen Abstützpunkte, über die sich das jeweilige Federelement in der Ausgangslage an den Tilgermassen abstützt, um die gewünschte negative Steifigkeit bereitzustellen, einen Abstand aufweisen, der nur mindesten etwa gleich groß ist wie der Abstand der Federarme an der Nabe. Durch die bei einem Federarm, d. h. einem Biegebalken als Haltearm, nicht feste Lage der Pendelachse gegenüber der Nabe, so dass auch eine Schwenkbewegungskomponente der von den Haltearmen abstehenden Querarme um eine weiter außen liegende Pendelachse möglich ist, muss der Abstand der Abstützpunkte nicht zwingend kleiner als der Abstand der Federarme an der Nabe sein. Er kann sogar etwas größer sein. Vorzugsweise ist er aber nicht größer, noch mehr bevorzugt kleiner und am meisten bevorzugt um mindestens 10 % oder 20 % kleiner als der Abstand der Haltearme an der Nabe.
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Die Federelemente des erfindungsgemäßen Drehschwingungstilgers können insbesondere Federelemente aus Federstahl aufweisen. Konkret kann es sich dabei um Schraubenfedern handeln. Federdrähte von derartigen Schraubenfedern können an ihren freien Enden an den Tilgermassen starr eingespannt sein, ohne dass die Schraubenfedern eine gleichsinnige Pendelbewegung der Tilgermassen im Bereich der relevanten Amplituden signifikant behindern.
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Die Federelemente können auch Federbeine sein, die an ihren Enden gelenkig an den Tilgermassen gelagert sind. Die Federkraft der Federbeine kann dabei nicht nur durch Federn aus Federstahl, sondern auch durch eine Gasdruckfeder oder dergleichen bereitgestellt werden.
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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. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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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 einen erfindungsgemäßen Drehschwingungstilger in einer axialen Draufsicht.
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2 ist eine Prinzipskizze zur Funktion des Schwingungstilgers gemäß 1; und
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3 ist eine Prinzipskizze zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers mit anderer Ausbildung der Haltearme für die Tilgermassen.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 dargestellte Schwingungstilger 1 ist zur Dämpfung von Drehschwingungen einer Welle 2 vorgesehen, die um eine Drehachse 3 umläuft. Der Schwingungstilger 1 weist eine an der Welle 2 festgelegte Nabe 4 auf. An der Nabe 4 sind über Haltearme 5 Tilgermassen 6 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 pendelnd gelagert. Bei den Haltearmen 5 handelt es sich um Blattfedern 7, die mit ihren Haupterstreckungsrichtung parallel und radial zu der Drehachse 3 verlaufen. An der Nabe 4 und den Tilgermassen 6 sind die Enden der Blattfedern 7 starr eingespannt. Die Blattfedern 7 führen damit die Tilgermassen 6 in einer Rotationsebene um die Drehachse 3 und lassen im Wesentlichen nur eine pendelnde Bewegung der Tilgermassen 6 gegenüber der Nabe 4 in dieser Rotationsebene zu. Die Anordnung der Blattfedern 7 und der Tilgermassen 6 ist rotationssymmetrisch zu der Drehachse 3. Dies gilt ebenso wie der Verlauf der Blattfedern 7 parallel und radial zu der Drehachse 3 für die in 1 dargestellte Ausgangslage der Tilgermassen 6, in der sie sich ohne auftretende Drehschwingungen der Welle 2 befinden und in der sie durch Fliehkräfte im Zentrifugalfeld um die rotierende Welle 2 gehalten werden.
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Zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 aufeinander folgenden Tilgermassen 6 ist ein Federelement 8 vorgesehen. Das Federelement 8 ist in der Ausgangslage der Tilgermassen 6 zwischen den Tilgermassen 6 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 auf Druck vorgespannt. Seine Abstützpunkte 9 an den Tilgermassen 6 sind dabei an den freien Enden von Querarmen 10 ausgebildet, die sich in der Ausgangslage der Tilgermassen 6 von der einen Tilgermasse 6 zu der jeweils anderen Tilgermasse 6 hin erstrecken. Der Abstand der Abstützpunkte 9 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 ist dadurch kleiner als der Abstand der Haltearme 5 im Bereich der Tilgermassen 6. Dieser Abstand ist zudem kleiner als der Abstand der Haltearme 5 im Bereich der Nabe 4. Bei dem Federelement 8 handelt es sich hier um eine Schraubenfeder 11 aus Federdraht 12. Die freien Enden des Federdrahts 12 sind an den Tilgermassen 6 starr eingespannt. Durch die Biegsamkeit der Schraubenfedern 11 ist hierdurch die Beweglichkeit der Tilgermassen 6 bei ihrer Pendelbewegung gegenüber der Nabe 4 in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 nicht signifikant beeinträchtigt.
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2 illustriert den Effekt, der bei einer Pendelbewegung der Tilgermassen 6, die hier bis auf die Querarme 10 punktsförmig dargestellt sind, mit Hilfe der Federelemente 8 erreicht wird. Dabei ist ein Federelement 8 zwischen zwei in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 aufeinander folgenden Tilgermassen 6 nur in Form eines den Abstand der Abstützpunkte 9 an den Querarmen 10 markierenden Doppelpfeils wiedergegeben. Zusätzlich zu den beiden Tilgermassen 6 in ihrer Ausgangslage sind dieselben Tilgermassen in gleichsinnig und in gleichem Maße um die Drehachse 3 ausgelenkten Stellungen wiedergegeben, wobei alle zugehörigen Bezugszeichen mit einem Stern versehen sind. Dabei wird deutlich, dass sich der Abstand der Abstützpunkte 9*, d. h. die Länge des Federelements 8*, aufgrund der Auslenkung der Tilgermassen 6* vergrößert hat. Da das Federelement 8 in der Ausgangslage der Tilgermassen 6 auf Druck vorgespannt ist, entspannt es sich bei der Auslenkung der Tilgermassen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass das Federelement 8 die dargestellte Auslenkung der Tilgermassen 6* unabhängig von ihrer Richtung um die Drehachse 3 unterstützt. Noch anders gesagt stellt das Federelement 8 eine negative Steifigkeit für Auslenkungen der Tilgermassen 6 aus ihrer Ausgangslage bereit. Diese negative Steifigkeit kompensiert die positive Steifigkeit, die zur Verformung der Blattfedern 7 bei der Auslenkung der Tilgermassen 6 aus ihrer Ausgangslage überwunden werden muss. Die auf Druck vorgespannten Federelemente 8 können so Auswirkungen der Steifigkeit der Blattfedern 7 auf die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1 gemäß 1 im Zentrifugalfeld um die Drehachse 3 kompensieren. So kann der Schwingungstilger 1 auch bei niedrigen Drehzahlen der Welle 2 eine im festen Verhältnis zu der Drehzahl stehende Tilgereigenfrequenz aufweisen.
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3 skizziert in einer 2 entsprechenden Darstellung die Funktionsweise der in Umfangsrichtung um die Drehachse 3 auf Druck vorgespannten Federelemente bei Tilgermassen 6, die über starre Haltearme gelenkig an der Nabe 4 gelagert sind. Dabei sind hier nur als Punkte dargestellte Festkörpergelenke 13 mit parallel zu der Drehachse 3 verlaufenden Pendelachsen zwischen den Haltearmen 5 und der Nabe 4 ausgebildet. Um diese Festkörpergelenke 13 können die starr an den Haltearmen 5 angebrachten Tilgermassen 6 gegenüber de Nabe 4 pendeln. Dabei wird auch hier die Auslenkung der Tilgermassen 6 aus ihrer Ausgangslage durch die auf Druck vorgespannten Federelemente 8 im Sinne einer negativen Steifigkeit unterstützt, weil sich der Abstand der Abstützpunkte 9 bei gleichsinniger Auslenkung der Tilgermassen 6 um gleiche Winkel vergrößert, so dass sich die Federelemente 8 entspannen können. Dieser Effekt tritt bei der Anordnung gemäß 3 streng nur dann auf, wenn der Abstand der Abstützpunkte 9 in der Ausgangslage der Tilgermassen 6 kleiner ist als der Abstand der Festkörpergelenke 13. Bei der Ausführungsform gemäß 2 reicht es hingegen aus, wenn der Abstand der Abstützpunkte 9 in der Ausgangslage der Tilgermassen 6 nur maximal etwa so groß ist wie der Abstand der Blattfedern dort, wo sie aus der Nabe 4 austreten. Aber auch gemäß 2 ist der Effekt, der mit den auf Druck vorgespannten Federelementen 8 erreicht wird, größer, wenn die Querarme 10 länger sind, so dass der Abstand der Abstützpunkte 9 kleiner ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehschwingungstilger
- 2
- Welle
- 3
- Drehachse
- 4
- Nabe
- 5
- Haltearm
- 6
- Tilgermasse
- 7
- Blattfeder
- 8
- Federelement
- 9
- Abstützpunkt
- 10
- Querarm
- 11
- Schraubenfeder
- 12
- Federdraht
- 13
- Festkörpergelenk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/016955 A1 [0002, 0004]
- WO 2011/026873 A2 [0003]
- WO 2011/02687 A2 [0005]
