DE19509485C1 - Schwingungsisolator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsisolator mit mindestens zwei parallel wirkenden, mechanisch gekoppelten Federn, von denen die eine Feder in einem Belastungsbereich eine positive Federkonstante und die andere Feder im gleichen Belastungsbereich eine negative Federkonstante aufweist, derart, daß der Schwingungsisolator im Belastungsbereich eine nur schwach positive Federkonstante aufweist.

Derartige Schwingungsisolatoren sind aus den deutschen Offenlegungsschriften 28 38 737 oder 40 11 367 bekannt und können so eingestellt werden, daß sie bei einer bestimmten Belastung durch die schwingungsmäßig zu isolierende Masse (z. B. eine Maschine) theoretisch eine beliebig kleine Federkonstante aufweisen. Trotz hoher Masse können somit Maschinen u. dgl. dynamisch extrem weich und gleichzeitig statisch hart gelagert werden. Erreicht wird dies durch zwei gekoppelte Federn, von denen die eine in einem bestimmten Belastungsbereich eine positive und die andere im gleichen Belastungsbereich eine negative Federkonstante aufweist, so daß bei Parallelschaltung beider Federn zumindest in einem Arbeitspunkt eine extrem kleine Federkonstante erzielt wird. Dies ist anhand der Diagramme in den Fig. 1a, b, und c verdeutlicht:
Im Belastungsbereich B besitzt die Feder F₁ eine positive Federkonstante f₁; im gleichen Belastungsbereich B besitzt eine zweite Feder F₂ bei gleicher Auslenkung w wie die erste Feder eine negative Federkonstante f₂, so daß bei Parallelschaltung beider Federn durch mechanische Kopplung bei Belastung mit einer Kraft K₀ eine Federkonstante f₀ auftritt, welche nur schwach positiv ist.

Der Arbeitspunkt, bei dem die Federkonstante des Schwingungsisolators ihr Minimum erreicht, läßt sich nun innerhalb des Belastungsbereichs B dadurch verschieben, daß die beiden Federn im Ruhebereich oder bei einer gegebenen Belastung gegeneinander verschoben werden. Übertragen auf die Diagramme in den Fig. 1a und b bedeutet dies, daß die, die Federkonstanten f₁ und f₂ angebenden gestrichelten Geraden in Richtung der -Achse verschoben werden, so daß bei der Addition beider Kennlinien das Plateau der Kurve in Fig. 1c und damit der Arbeitspunkt K₀ nach oben oder unten verschoben wird.

Wie anhand der Fig. 1b bereits angedeutet wurde, gelingt es nur Federn mit "partiell" negativer Federkonstante herzustellen. Ein typisches Beispiel hierfür sind Tellerfedern, die ab einer bestimmten Wölbungshöhe den in Fig. 1b dargestellten charakteristischen Verlauf im Kraft-Weg-Diagramm aufweisen. Derartige Tellerfedern haben jedoch den Nachteil, daß sie zum einen vergleichsweise aufwendig herzustellen sind und zum anderen lediglich in der Belastungsrichtung, also senkrecht zur Tellerebene, die oben beschriebene dynamische Weichheit ermöglichen; für Schwingungen senkrecht zur Belastungsrichtung sind Tellerfedern extrem hart.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingungsisolator der o.g. Art zu schaffen, welcher einfacher und kostensparender herzustellen ist und zumindest in einer weiteren Richtung senkrecht zur Belastungsrichtung dynamisch weich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch einen nach Patentanspruch 1 ausgebildeten Schwingungsisolator.

Bei diesem Schwingungsisolator wird sowohl für die Feder mit positiver als auch mit negativer Federkennlinie jeweils ein Balken verwendet, wobei letztere dadurch realisiert wird, daß der Balken gegen die Belastungsrichtung gekrümmt ist, so daß bei paralleler Anordnung beider Balken und Abstützung an den Enden, durch eine Kopplung in der Mitte beider Balken das schwingungsmäßige Verhalten gemäß Fig. 1c erzielt wird. Die Anordnung derartiger gekoppelter Balken ist jedoch nicht nur in Belastungsrichtung sondern auch in einer Richtung senkrecht zu dieser sowie zur Längsachse der Balken dynamisch weich und damit in der Lage, schwingungsisolierend zu wirken. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das Flächenträgheitsmoment der Federn (Balken) senkrecht zur Längsachse und zur Belastungsrichtung größer ist, als das Flächenträgheitsmoment in Belastungsrichtung.

Die mechanische Kopplung der Balkenmitten ist vorteilhafterweise verstellbar, so daß sich der Arbeitspunkt innerhalb des maximal möglichen Belastungsbereiches exakt einstellen läßt. Die Abstandsverstellung kann dabei auch über einen z. B. elektrisch oder hydraulisch steuerbaren Aktuator geschehen, wobei sich die Einstellung dadurch automatisieren läßt, daß die Steuerung mittels eines an einem Balken angeordneten Weggebers, welcher die quasistatische Auslenkung des Balkens erfaßt, erfolgt.

Zur Feinregulierung, insbesondere zum Ausgleich von Fließeffekten oder Veränderungen des effektiven Elastizitätsmoduls, kann zwischen beiden Balken ein weiterer Balken als Feder angeordnet sein, welcher mit den benachbarten Balken in analoger Weise, wie oben beschrieben, gekoppelt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 2a und b die Aufsicht und die Seitenansicht eines streifenförmigen Schwingungsisolators mit integriertem Stützjoch,

Fig. 3a und b die Seitenansicht sowie einen Querschnitt durch einen streifenförmigen Schwingungsisolator mit freiaufliegen­ den Balkenfedern,

Fig. 4 die Seitenansicht durch einen streifenförmigen Schwingungsisolator mit Stützfeder und

Fig. 5 ein geregelter Schwingungsisolator.

Bei dem in Fig. 2a und b dargestellten Ausführungsbeispiel eines Schwingungsisolators ist die balkenförmige Feder F₂ mit partiell negativer Federkennlinie aus einer streifenförmigen Platte 1 mittels zweier paralleler, in Längsrichtung zum Streifen verlaufender Einschnitte 2 und 3 herausgearbeitet derart, daß die Enden der so entstandenen Feder F₂ mit dem restlichen Teil der Platte 1 verbunden bleiben, wobei die äußeren Streifen 4 und 5 der Platte 1 die Feder F₂ jochartig umgeben. Anschließend wird durch einen Prägevorgang der Streifen F₂ aus der Ebene der Platte 1 unter plastischer Verformung zylindrisch ausgewölbt, wobei die beiden jochartigen Stege 4 und 5 in der ursprünglichen Plattenebene verbleiben. Bei Belastung dieser Feder mit einer Kraft K₀ gegen die Richtung der Auswölbung, was in der Fig. 2b durch einen Pfeil dargestellt ist, zeigt diese Feder F₂ eine Kennlinie gemäß Fig. 1b.

Unter diese Feder F₂ wird über Abstandsstücke 6 und 7, die mit den Enden der Platte 1 kraftschlüssig verbunden sind, eine zweite balkenförmige Feder F₁ ebenfalls an den Enden kraftschlüssig verbunden, wobei diese Feder F₁ völlig eben oder nur schwach gegen die Belastungsrichtung gewölbt ist und eine positive Federkennlinie gemäß Fig. 1a aufweist. Die Mitten beider Federn F₁ und F₂ sind über eine verstellbare mechanische Kopplung 8, z. B. eine Schraubverbindung, verbunden, wobei der Abstand a und damit der Arbeitspunkt K₀ entsprechend Fig. 1c einstellbar ist. Der so aufgebaute Schwingungsisolator liegt im Bereich der Balkenenden auf einer nicht dargestellten Auflage auf und wird mittig durch die schwingungsmäßig zu isolierende Masse belastet, wobei die Auflage so gestaltet ist, daß sich die gekoppelten Balkenmitten bei jeder Belastung frei bewegen können.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Schwingungsisolator sind zwei balkenförmige Federn F₁ und F₂ mit rechteckigem Querschnitt in eine speziell ausgebildete Halterung 10 derart eingesetzt, daß die gewölbte Feder F₂ mit negativer Federkennlinie an den Enden nicht nur aufliegt, sondern auch gegen seitliche Verlagerung abgestützt ist. Die darunterliegende zweite Feder F₁ mit positiver Federkennlinie ist nicht oder nur schwach gekrümmt und liegt mit Abstand zur Feder F₂ ebenfalls an ihren Enden in Ausnehmungen der Halterung 10 auf. Die Halterung 10 ist mittig mit einer Öffnung versehen, durch die eine mechanische Kopplung 11 durchgreift, welche entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verstellbar ist.

Aufgrund der Querschnittsform der balkenförmigen Federn F₁ und F₂ sind deren Flächenträgheitsmoment in x-Richtung größer als in z-Richtung, so daß diese bei schwingungsmäßiger Belastung in x-Richtung nicht seitlich wegklappen (die Orientierung der x- und z-Achse ist in Fig. 3b dargestellt). Diese Bemessung der Flächenträgheitsmomente läßt sich beispielsweise auch mit im Querschnitt elliptischen oder ovalen Balken erreichen, bei denen die größere Hauptachse in x-Richtung verläuft.

Der in Fig. 4 dargestellte Schwingungsisolator besteht wiederum aus einer ersten Feder F₁ mit positiver und einer zweiten Feder F₂ mit negativer Federkennlinie, zwischen denen eine dritte Feder F₃ parallel angeordnet ist, wobei sämtliche Federn an den Enden miteinander durch Abstandsstücke 12, 13, 14 und 15 verbunden sind. Die drei balkenförmigen Federn sind wiederum mittig über Stellglieder 16 und 17 gekoppelt, wobei die Abstände derart eingestellt werden, daß die Feder F₃ im Arbeitspunkt K₀ weitgehend lastfrei bleibt. Mittels der Feder F₃ können z. B. Fließeffekte ausgeglichen werden; weiterhin können damit anisotrope Lagerfehler kompensiert oder der effektive Elastizitätsmodul beeinflußt werden.

Die Fig. 5 zeigt einen geregelten Schwingungsisolator, der grundsätzlich wie die vorher beschriebenen aufgebaut ist, wobei die Kopplung beider Federn nunmehr durch einen elektrisch steuerbaren Aktuator 18 geschieht, wobei der Abstand beider Federn F₁ und F₂ von einem Regler 19 eingestellt wird. Der Regler 19 erhält ein Steuersignal von einem berührungslosen optischen Distanzsensor 20, welcher die Auslenkungen der Feder F₁ erfaßt, wobei durch Filterung nur die quasistatische Bewegung im Regler 19 weiterverarbeitet wird.

Der Regler 19 stellt nun den Abstand zwischen den Federn F₁ und F₂ stets so ein, daß sich die Anordnung in dem in Fig. 1c dargestellten Arbeitspunkt befindet.

Claims (8)

1. Schwingungsisolator mit mindestens zwei parallel wirkenden, mechanisch gekoppelten Federn, von denen die eine Feder in einem Belastungsbereich eine positive Federkonstante und die andere Feder im gleichen Belastungsbereich eine negative Federkonstante aufweist, derart, daß der Schwingungsisolator im Belastungsbereich eine nur schwach positive Federkonstante aufweist dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (F₁, F₂) durch Balken gebildet sind, von denen zumindest einer gegen die Belastungsrichtung gekrümmt ist und welche parallel zueinander angeordnet, jeweils an beiden Enden abgestützt sowie mindestens im Bereich ihrer Mitten gekoppelt und schwingungsmäßig belastbar sind und daß das Flächenträgheitsmoment (I_x) der Federn senkrecht zur Längsachse und zur Belastungsrichtung größer ist, als das Flächenträgheitsmoment (I_z) in Belastungsrichtung.

2. Schwingungsisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (F₁, F₂) aus einer streifenförmigen Platte (1) durch zwei parallel verlaufende Längsschnitte (2, 3) innerhalb der Platte (1) gebildet wird, wobei der Rest der Platte (1) ein die Feder beidseitig haltendes Joch (4, 5) bildet.

3. Schwingungsisolator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (F₂) mit negativer Federkonstanten durch Auswölbung des von den Längsschnitten (2, 3) begrenzten Mittelstreifens gebildet ist.

4. Schwingungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Balken einen rechteckigen, elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen.

5. Schwingungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (F₁, F₂) übereinander angeordnet und im Bereich ihrer Mitten mit verstellbarem Abstand (a) mechanisch verbunden sind.

6. Schwingungsisolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (F₁, F₂) über einen steuerbaren Aktuator (18) verbunden sind.

7. Schwingungsisolator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (18) über einen an einer Feder (F₁) angeordneten Weggeber (20) steuerbar ist.

8. Schwingungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Federn (F₁, F₂) eine dritte, beidseitig abgestützte balkenförmige Feder (F₃) angeordnet ist, die im Bereich ihrer Mitte mit den anderen Federn (F₁, F₂) mechanisch gekoppelt ist.