-
Hydraulischer Hochdruck-Schwingungsdämpfer Die Erfindung bezieht sich
auf Hochdruck-Schwingungsdämpfer, die aus einem mit vorzugsweise zäher Flüssigkeit
gefüllten starrwandigen Zylinder, einem im Zylinder axial beweglichen und von der
Flüssigkeit umströmbaren Kolben, einer Kolbenstange, die den Kolben mit dem schwingenden
Gegenstand starr verbindet und gegen den Zylinderdeckel abgedichtet ist, sowie einen
oberhalb des Zylinders angeordneten Vorratsbehälter für die Flüssigkeit, der mit
jedem Zylinderraum zeitweilig in Verbindung stehen kann, bestehen.
-
Schwingungsdämpfer dieser Bauart sind in zahlreichen Abwandlungen
und für vielerlei Verwendungszwecke seit langer Zeit bekannt. So hat man den Mantel
des Kolbens unmittelbar an der inneren Zylinderwandung druckdicht geführt und die
Durchlässe für die Flüssigkeit in Form von Bohrungen angeordnet, die gegebenenfalls
mit Ventilen versehen sind und den Kolben in axialer Richtung durchqueren. Da hierbei
sowohl Kolben als Kolbenstange streng geführt sind, treten bei dieser Bauart hohe
mechanische Beanspruchungen und Verschleiß der bewegten Teile auf, sofern die zu
dämpfenden Kräfte oder Schwingungen nicht genau in Richtung der Kolbenstange einwirken.
-
Daher ist bereits eine einfachere Bauart bekanntgeworden, bei der
der Flüssigkeitsdurchlaß die Form eines Ringspaltes zwischen Kolbenmantel und Zylinderinnenwand
hat. Wirken auf den Kolben Kräfte oder Schwingungen ein, so entsteht in einem Zylinderraum
ein Unterdruck, im anderen ein überdruck, so daß die Flüssigkeit in Richtung des
Druckgefälles am Kolben vorbeigepreßt wird. Durch die meist hohe innere Reibung
der Flüssigkeit wird auf diese Weise die Stoß- und Schwingungsenergie in Wärme verwandelt.
Unter ihrem Einfluß nimmt das Volumen der eingeschlossenen Flüssigkeit zu, und zwar
stärker als das des gleichfalls erwärmten Zylinders, so daß eine Wärmespannung in
der Flüssigkeit auftritt. Zum Ausgleich dieser Spannungen hat man bereits meist
oberhalb des Zylinders angeordnete Vorratsgefäße verwendet. Es ist ferner bekannt,
in die Verbindungsleitung zwischen Zylinder und Vorratsgefäß Mittel einzuschalten,
die dafür sorgen, daß nur langsam verlaufende Druckschwankungen sich ausgleichen
können. Für viele Anwendungsfälle ist man gezwungen, Hochdruck-Schwingungsdämpfer
zu verwenden, nämlich dann, wenn sehr wenig Platz für den Einbau des Dämpfers verfügbar
ist und/oder sehr große Kräfte abgefangen werden sollen. Für solche Hochdruckdämpfer
verwendet man sehr kleine Durchlaßquerschnitte zwischen Kolben und Zylinder, d.
h. sehr enge Ringspalte, und/oder besonders zähe Flüssigkeiten. Solche hochviskosen
Dämpfungsflüssigkeiten lassen sich indessen nur beschränkt heranziehen, da es äußerst
schwierig ist, sie von eingeschlossenen Gas- oder Luftblasen zu befreien oder frei
zu halten. Der Verwendung besonders enger Ringspalte steht entgegen, daß bereits
geringe Bewegungen des schwingenden Gegenstandes in seitlicher Richtung, also etwa
senkrecht zur Achse der Kolbenstange, zu Schwierigkeiten führten, da sich der Kolben
infolge der festen Führung der Kolbenstange unter anderem im Zylinderdeckel verkantet,
wodurch die Wirksamkeit des Dämpfers erheblich leidet.
-
Ein wichtiges Anwendungsgebiet von hydraulischen Dämpfern ist die
Schwingungsisolierung von Maschinen u. dgl. Um die Ausbreitung von Stößen oder Schwingungen
einer Maschine zu verhindern oder zumindest abzuschwächen, stellt man sie gewöhnlich
samt ihrem Fundament auf Federsätze. Eine Erschütterungsfreiheit läßt sich damit
wohl erreichen, jedoch im wesentlichen nur für solche Schwingungsfrequenzen, die
hinreichend weit über der Eigenfrequenz des aus Maschinenmasse und Feder gebildeten
Schwingungssystems liegen. Frequenzen unter dieser Eigenfrequenz lassen sich auf
diese Weise nicht dämpfen, vielmehr werden die auf den Untergrund übertragenen Störkräfte
von den Federn sogar noch verstärkt.
-
Eine einwandfreie schwingungsisolierende Gründung von Maschinen ist
daher mit Federn allein nur möglich, wenn unterhalb einer bestimmten Grenzfrequenz
keine Störwechselkräfte mehr auftreten. Insbesondere bei schlagerregten Maschinen,
wie Hämmern, Stanzen, Pressen u. dgl.; existiert keine
untere Grenzfrequenz,
sondern es treten hier Erregerkräfte bis zu den tiefsten Frequenzen hinab auf. In
solchen Fällen muß man den Federn einen Schwingungsdämpfer parallel schalten, um
diese Verstärknngserscheinungen zu vermeiden. Im Resonanzl,ere'eb und darunter wirken
diese Systeme in dem gewünschten Sinne. Bei über dem Resonanzbereich liegenden Frequenzen
geht die Schwingungsisolierung jedoch stark zurück, da der parallel zu den Federn
angeordnete Dämpfer zusätzlich Störkräfte auf den Untergrund überträgt.
-
Ziel der Erfindung ist es, die insbesondere bei Hochdruck-Schwingungsdämpfern
geschilderten Mängel zu beseitigen und solche Dämpfer, vorzugsweise in Verbindung
mit dazu parallel geschalteten Federsätzen, für Zwecke der Schwingungsisolierung
insbesondere schlagerregter Maschinen derart verwendbar zu machen, daß die bisher
bei hohen Schwingungsfrequenzen auftretenden Nachteile entfallen.
-
Die Erfindung löst dieses Problem, indem sie einen Hochdruck-Schwingungsdämpfer
der eingangs geschilderten Bauart vorsieht, dadurch, daß der Kolben aus einem zylindrischen
Mittelstück und wenigstens einem radial zu ihm beweglichen ringförmigen Außenteil
besteht und daß der Zylinderdeckel einen zentralen Durchbruch für die Kolbenstange
aufweist, der größer als deren Durchmesser ist und durch eine in Axialrichtung auf
der Kolbenstange verschiebbare, radial zu ihr nicht bewegliche Scheibe abgedeckt
ist.
-
Somit können Kolben und Kolbenstange in radialer Richtung verschoben
werden, ohne Gefahr zu laufen, daß die die Radialverschiebung verursachenden Kräfte
von der Zylinderwandung aufgefangen werden. Das radialbewegliche Kolbenaußenteil
gleicht die Exzentrizität des Mittelstückes vollkommen aus, so daß keine erhöhten
Reibungskräfte zwischen Zylinderwandung und Kolben auftreten, die die Dämpfung beeinträchtigen
könnten.
-
Das Kolbenaußenteil kann U-förmigen Querschnitt aufweisen. zwischen
dessen Schenkel das Kolbenmittelteil mit radialem und axialem Spiel eingreift, wobei
der Außendurchmesser des Kolbenaußenteils etwas kleiner als der Innendurchmesser
des Zylinders ist. Dieser Kolben soll bevorzugt dann Verwendung finden, wenn in
beiden Richtungen etwa die gleiche Dämpfungscharakteristik gewünscht wird.
-
In einer anderen Ausführung soll das Kolbenaußenteil scheibenförmigen
Querschnitt aufweisen und mittels einer Druckfeder gegen das Mittelstück angedrückt
werden, dessen Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Kolbenteils
ist. Durch diesen Kolben wird eine unsymmetrische Dämpfung erreicht, wie sie z.
B. für Hammeranlagen, d. h. schlagerregte Maschinen, gefordert wird. In diesem Fall
soll der Rückhub einer stärkeren Dämpfung unterliegen.
-
In weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes ist im unteren Teil
der Zylinderwandung eine längsnutenartige Ausnehmung in Form einer sprunghaften
Vertiefung vorgesehen. Erreicht der Kolben des Schwingungsdämpfers insbesondere
bei unsymmetrischer Dämpfung, z. B. durch mehrere relativ kurz nacheinander folgende
Stoßkräfte, diese untere Lage im Zylinder, so wird die Dämpfung durch den über die
größere Ringfläche nun schneller erfolgenden Flüssigkeitsaustausch zwischen Kolbenober-
und -unterseite wenigstens zum überwiegenden Teil aufgehoben. Der Rückhub erfolgt
dadurch schneller, so daß der Kolben auch bei weiteren hohen Stoßbelastungen nicht
auf den Boden des Zylinders aufkommt.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Bauform, F i
g. 2 einen ebensolchen Schnitt durch eine zweite Bauform des erfindungsgemäßen Dämpfers,
F i g. 3 eine schematische Ansicht der gesamten aus Dämpfer und Federn bestehenden
Anordnung. Der Dämpfer nach F i g. 1 besteht im wesentlichen aus einem mehrteiligen
Kolben, dessen Mittelstück 1 über eine Kolbenstange 2 mit dem schwingenden Gegenstand,
z. B. einem Maschinenfundament 3, starr verbunden ist und in Ruhestellung etwa in
halber Höhe eines auf dem Untergrund befestigten Zylinders 4 angeordnet ist. Der
Kolben besteht aus zwei Teilen, dem Mittelstück 1 und dem Außenteil 7, und unterteilt
den Zylinderraum in einen oberen Raum 14 und einen unteren Raum 12.
-
Der Zylinder 4 ist oben mit einem Deckel 5 versehen, dessen Mittelöffnung
6 erheblich weiter als der Durchmesser der Kolbenstange 2 ist. Zwischen Kolbenmittelstück
1 und Zylinderdeckel 5 ist eine Druckfeder 9 eingeschlossen, die eine obere Ringscheibe
8 gegen den Deckel 5 andrückt. Die Ringscheibe B weist eine Mittelöffnung auf, die
gegenüber dem Durchmesser der Kolbenstange so viel Spiel hat, daß eine leichte Schrägstellung
der Kolbenstange möglich ist. Der Außendurchmesser der Ringscheibe 8 ist wesentlich
größer als der Durchmesser der Mittelöffnung im Zylinderdeckel.
-
Da im Ruhezustand die Scheibe 8 gegen den Deckel 5 von der Feder 9
angedrückt wird, dichtet sie den Zylinderraum 14 nach oben hin im wesentlichen ab,
erlaubt der Kolbenstange 2 jedoch nicht nur axiale, sondern auch radiale Bewegungen.
-
Durch die geteilte Kolbenausbildung kann der Ringspalt zwischen Kolben
und Zylinder sehr eng gehalten und gleichzeitig die radiale Beweglichkeit des Kolbens
ermöglicht werden. Das Kolbenaußenteil besteht aus einem U-förmigen Ring 7. Sein
Außendurchmesser ist so gewählt, daß der zum Aufbau hohen Drucks erforderliche enge
Ringspalt entsteht. Der Innendurchmesser des Ringes 7 ist wesentlich kleiner als
der Außendurchmesser des Kolbenmittelstücks. Der Abstand in axialer Richtung zwischen
den Schenkeln oder Flanschen des U-Profils ist etwas größer als die Dicke des Kolbenmittelstücks
1, so daß dieser darin sich auch leicht verkanten oder radial bewegen kann.
-
Unmittelbar oberhalb des Deckels 5 bildet der Zylinder einen Vorratsbehälter
10, der nach außen hin z. B. durch dünne Bleche u. dgl. gegen Zutritt von Schmutz
u. dgl. gesichert sein kann. Der Vorratsbehälter steht mit dem unteren Zylinderraum
12 über einen Kanal 11 und ein darin befindliches Ventil 13
derart
in Verbindung, daß die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 10 in den Raum
12, jedoch nicht umgekehrt, strömen kann.
-
Der gesamte Raum im Dämpfer ist mit einer der üblichen, vorzugsweise
zähen Flüssigkeiten gefüllt, die möglichst frei von Gas oder Luftblasen sein soll.
Die Wirkungsweise dieses Dämpfers nach F i g. 1 ist folgende: Bei einer nach unten
gerichteten Einwirkung auf den Kolben 1 schließt sich das Ventil 13, da im Raum
12 überdruck entsteht. Das Kolbenmittelteil
wird gegen den unteren
Schenkel des U-Ringes 7 des Kolbenaußenteils gepreßt, und die im Raum 12 eingeschlossene
Flüssigkeit strömt durch die engen Schlitze zwischen dem U-Ring 7 und der Zylinderwand
sowie zwischen dem Kolbenmittelteil und dem U-Ring 7 in den Raum 14.
-
Da gleichzeitig die Kolbenstange 2 jetzt tiefer eintaucht, wird das
Gesamtvolumen von Raum 12 und 14 geringer, und die verdrängte Flüssigkeit entweicht
durch die Spalte zwischen Ring 8 und der Kolbenstange einerseits und zwischen Ring
8 und Deckel 5 andererseits in den Vorratsbehälter 10.
-
Bei einem Zug der Kolbenstange nach oben wird die Flüssigkeit im Raum
14 unter Druck gesetzt und über die Ringspalte beiderseits des U-Ringes 7 in Raum
12 sowie durch die Spalte am Deckel 5 in -den Vorratsbehälter 10 gepreßt. Infolge
kleinerer Eintauchtiefe der Kolbenstange 2 vergrößert sich das Gesamtvolumen der
Räume 12 und 14, und es entsteht im unteren Raum 1.2 ein Unterdruck, der das Ventil
13 öffnet und vom Vorratsraum 10 über den Kanal 11 ausgeglichen wird. Die
wechselnde Eintauchtiefe der Kolbenstange 2 erzeugt im Zusammenwirken mit dem Ventil
13 eine Pumpwirkung, durch die der Druck im Raum 14 ansteigt. Durch diese Druckschwankungen
werden gegebenenfalls vorhandene Luftblasen in der Flüssigkeit entweder gelöst oder
über die Öffnung 6 des Deckels 5 nach und nach hinausbefördert. Der Dämpfer ist
gegen Lufteinschlüsse somit erheblich weniger empfindlich als bisher verwendete
Bauarten.
-
F i g. 2 zeigt eine zweite Bauform des erfindungsgemäßen Dämpfers,
die eine unsymmetrische Dämpfung aufweist und sich insbesondere für die Schwingungsisolierung
schlagerregter Maschinen eignet. Die Bauform nach F i g. 2 unterscheidet sich von
dem Dämpfer nach F i g. I im wesentlichen durch die Ausbildung des Kolbens. Die
Druckfeder 9 wirkt hier nicht, wie nach F i g. 1, unmittelbar auf das Kolbenmittelstück
1, sondern zunächst auf das Kolbenaußenteil 7a, das aus einer flachen Ringscheibe
besteht.
-
Durch die unterschiedlichen Kolben wirken die beschriebenen Dämpfer
verschieden. Bei einem Druck auf das Kolbenmittelstück l (nach F i g. 2) schließt
sich das Ventil 13, und der Überdruck im unteren Raum 12 preßt das ringförmige Kolbenaußenteil
7 a entgegen der Federkraft nach oben, d. h., die Flüssigkeit kann durch einen verhältnismäßig
breiten Spalt zwischen Kolbenmittelstück l und Kolbenaußentei17a in den oberen Raum
14 entweichen.
-
Bewegt man den Kolben l nach oben, werden durch den Überdruck im Raum
14 die Ringscheiben 8 und 7 a fest gegen ihre Widerlager, nämlich den Deckel 5 und
das Kolbenmittelstück 1, gedrückt, und die Flüssigkeit kann durch die zwischen Ring
8 und Deckel sowie zwischen Ring 7 a und Zylinderwand verbleibenden schmalen Schlitze
aus dem Raum 14 in den Vorratsbehälter 10 und den Raum 12 abfließen. Die zur Bewegung
des Kolbenmittelstücks notwendige Kraft ist somit in Richtung nach oben bedeutend
größer als bei einer Abwärtsbewegung. Der Dämpfer nach F i g. 2 arbeitet demnach
asymmetrisch. Da die Abwärtsbewegung schneller als der Rückhub erfolgt, würde bei
allzu raschem Aufeinanderfolgen von Erregerstößen der Kolben immer weiter in den
Zylinder hineingedrückt werden. Um das zu verhindern, sind im unteren Teil der Zylinderwand
z. B. nutartige Ausnehmungen 15 vorgesehen, die nach oben hin in eine Abrundung
16 auslaufen können und nach unten bis zum Boden des Zylinders reichen. Gerät der
Ring 7 a in den Bereich der Ausnehmungen 15, 16, so vergrößern sich die Durch-laßquerschnitte
für die Flüssigkeit, und der Kolben kann sich bis zum oberen Ende 16 der Aussparungen
15 relativ schnell zurückbewegen.
-
Schlagerregte Fundamente, wie die von Hämmern u. dgl., schwingen,
wenn sie auf Federn stehen, nach dem Schlag mehr oder weniger gedämpft in der Eigenfrequenz
des Systems aus. Der Untergrund wird also durch einen gedämpften Schwingungszug
erregt, wobei ihm die Erregerkräfte sowohl über die Federn als auch den oder die
parallel geschalteten Dämpfer übertragen werden. Der Ausschwingungsvorgang läßt
sich durch vermehrte Dämpfung abkürzen, jedoch werden damit zugleich die durch den
Dämpfer übertragenen Störkräfte erhöht.
-
Für diesen Anwendungszweck ist der erfindungsgemäße Dämpfer nach F
i g. 2 besonders vorteilhaft, da er bei Aufwärtsbewegung des Kolbens wesentlich
größere Dämpfung zeigt als bei Abwärtsbewegung. Aus den vorstehend angeführten Gründen
darf bei der Abwärtsbewegung des Kolbens die Dämpfung einen bestimmten Wert nicht
übersteigen; der günstigste Wert wird erreicht, wenn die durch den Dämpfer übertragene
Störkraft etwa halb so groß ist wie die durch die Federn übertragene. Da die Dämpfungskraft
der Bewegungsgeschwindigkeit proportional ist, die ihren höchsten Wert im Augenblick
der Erregung hat, wird der Untergrund im ersten Augenblick nur über den Dämpfer
erregt. Mit zunehmender Auslenkung aus der Ruhelage nimmt die Dämpfungskraft ab,
und die Federkraft, die ihren Höchstwert bei größter Auslenkung, also bei der tiefsten
Lage des Fundaments, erreicht, nimmt zu. Von diesem Zeitpunkt an wird das Fundament
durch die Federkräfte wieder nach oben beschleunigt. Wenn bei dieser Aufwärtsbewegung
die Dämpfung wesentlich größer ist, so wird dadurch die auf den Untergrund wirkende
Störkraft nicht vergrößert, sondern verringert, da beide Kräfte entgegengesetzt
gerichtet sind. Macht man die Dämpfung für den Aufwärtsgang so groß, daß keine weitere
Schwingung sondern lediglich ein aperiodischer Rücklauf in die Ruhelage erfolgt,
so ist vom Beginn der Abwärtsbewegung an praktisch keine Störkraft auf den Untergrund
mehr wirksam.