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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lagerung eines Objekts an einer Struktur mit mindestens zwei in Richtung einer Achse untereinander beabstandeten elastischen Elementen, die in Richtung der Achse weichelastisch und quer zu der Achse steif sind, wobei die Elemente jeweils einen inneren Anschlussbereich nahe der Achse und einen äußeren Anschluss entfernt von der Achse aufweisen und sich in einer senkrecht zu der Achse ausgerichteten ebenen Grundform zwischen ihren Anschlussbereichen spiralförmig um die Achse erstrecken.
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Mit Hilfe der elastischen Elemente wird das jeweilige Objekt weichelastisch an die jeweilige Struktur angekoppelt. Diese weichelastische Ankopplung ist aber nur in Richtung der Achse gegeben. Ansonsten ist das Objekt mit hoher Steifigkeit an der Struktur abgestützt. Anders gesagt ist das Objekt in Richtung der Achse mit hoher Steifigkeit an der Struktur geführt.
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Eine derartige Lagerung des Objekts an der Struktur kann dazu dienen, das Objekt mit der Struktur zu bewegen, außer in Richtung der Achse, in der beispielsweise Schwingungen oder Stöße der Struktur auftreten, die nicht auf das Objekt übertragen werden sollen.
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STAND DER TECHNIK
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Aus der
US 5,492,313 A ist eine Vorrichtung zur Lagerung eines Objekts an einer Struktur bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1 aufweist.
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Diese Vorrichtung findet in Kryokühlern für die Raumfahrt Anwendung. Sie dient zur Lagerung eines sich hin und her bewegenden Bauteils gegenüber einem Kompressorgehäuse des Kryokühlers. Die Vorrichtung umfasst einen Stapel aus axial flexiblen, spiralförmig eingeschnittenen Membranen, die zwischen inneren und äußeren Anschlussbereichen angeordnet sind, wobei die äußeren Anschlussbereiche an dem Kompressorgehäuse befestigt sind. Diese Vorrichtung wird gemäß der
US 5,492,313 A dadurch fortgebildet, dass bei jedem der elastischen Elemente zwischen dem inneren Anschlussbereich und dem äußeren Anschlussbereich geradlinige Blattfederarme konstanter Breite tangential zu einem Umfang um die Achse verlaufen. Hierdurch soll die Materialbeanspruchung in den elastischen Elementen reduziert werden.
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Aus der
DE 197 23 515 A1 ist ein elastisches Element mit Blattfedern für eine in einer Bewegungsrichtung elastische Verbindung von zwei Bauteilen bekannt. Das elastische Element weist zwei koaxial zu der Bewegungsrichtung angeordnete Anschlüsse für die beiden Bauteile auf. Hiervon erstrecken sich in rotationssymmetrischer Anordnung zu der Bewegungsrichtung die Blattfedern in lateraler Richtung. Dabei sind die sich von dem einen Anschluss aus erstreckenden Blattfedern in einem anderen parallel zu der Bewegungsrichtung verlaufenden gedachten Raum angeordnet als die sich von dem anderen Anschluss aus erstreckenden Blattfedern. Die Enden der sich jeweils in parallelen Richtungen lateral zu der Achse von dem einen und dem anderen Anschluss weg erstreckenden Blattfedern sind miteinander verbunden. Mehrere solche elastische Elemente, die in Richtung der Achse voneinander beabstandet sind, können zur weichelastischen Abstützung eines Objekts an einer Struktur in der Bewegungsrichtung und zur steifen Führung des Objekts an der Struktur quer zu der Bewegungsrichtung verwendet werden. Die Blattfedern können aus Federbandstahl ausgebildet sein und von dem einen Anschluss bis zu dem anderen Anschluss einstückig ineinander übergehen. Sie können einschließlich ihrer Verbindung aber auch aus einem Kohlenfaserverbundwerkstoffen ausgebildet sein.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1 aufzuzeigen, die bei einfacher Ausführung ihrer elastischen Elemente dennoch das Objekt in Richtung der Achse hochwirksam von Schwingungen und Stößen der Struktur entkoppelt.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Schutzansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung eines Objekts an einer Struktur mit mindestens zwei in Richtung einer Achse untereinander beabstandeten elastischen Elementen, die in Richtung der Achse weichelastisch und quer zu der Achse steif sind, wobei die Elemente jeweils einen inneren Anschlussbereich nahe der Achse und einen äußeren Anschlussbereich entfernt von der Achse aufweisen und sich in einer senkrecht zu der Achse ausgerichteten ebenen Grundform zwischen ihren Anschlussbereichen spiralförmig um die Achse erstrecken, weist jedes elastische Element mindestens zwei Blattfederarme auf, die sich flach in der Ebene seiner Grundform erstrecken und zwischen den Anschlussbereichen spiralförmig ineinander gewunden sind. Die mindestens zwei, vorzugsweise aber auch genau zwei Blattfederarme jedes elastischen Elements der erfindungsgemäßen Vorrichtung resultieren in eine sehr weichelastische Abstützung des Objekts an der Vorrichtung längs der Achse, während das Objekt quer zu der Achse steif an der Struktur geführt ist. Durch ihre Spiralform können die Blattfederarme relativ lang sein und daher ohne Richtungsumkehr die weichelastische Abstützung in Richtung der Achse bereitstellen. Bei Betrachtung der elastischen Elemente in ihrer Grundform verlaufen ihre Blattfederarme flach in der Ebene der Grundform. Das heißt, die Breite der Blattfederarme quer zu ihrer Haupterstreckungsrichtung verläuft in der Ebene, während ihre Dicke senkrecht dazu ausgerichtet ist.
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Die Breite der Blattfederarme nimmt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise von der Achse weg nicht zu, wie dies bei einer geschlitzten Membran der Fall ist, sondern sie bleibt gleich, soweit sie nicht sogar von der Achse weg abnimmt. Dies ist auch Vorraussetzung dafür, dass sich die Blattfederarme in Umfangsrichtung um die Achse, bezogen auf den Abstand zwischen dem inneren Anschlussbereich nahe der Achse und dem äußeren Anschlussbereich entfernt von der Achse, über jeweils einen größeren Winkel im typischen Bereich von 180° bis 270° erstrecken. Deutlich kleiner sollte der Winkel nicht ausfallen, um die weichelastische Abstützung in Richtung der Achse sicherzustellen. Deutlich größer sollte der Winkel auch nicht ausfallen, weil hierunter die Steifigkeit der Führung quer zu der Achse leidet.
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Die Blattfederarme jedes Elements können bezüglich der Achse in jeder Hinsicht drehsymmetrisch zueinander sein, d. h. sowohl hinsichtlich ihrer Ausbildung als auch hinsichtlich ihrer Verteilung um die Achse. Auch bei mehr als zwei Blattfederarmen eines elastischen Elements sind diese in Umfangsrichtung um die Achse vorzugsweise maximal voneinander beabstandet oder – was gleichbedeutend ist – gleichmäßig verteilt. So wird die Ausbildung irgendeiner Vorzugsrichtung quer zu der Achse vermieden. In diesem Zusammenhang ist aber anzumerken, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausbildung derartiger Vorzugsrichtung nicht neigt und deshalb regelmäßig mit nur zwei Blattfederarmen je elastischem Element auskommt und nicht die im Stand der Technik hierfür üblichen drei Blattfederarme erfordert.
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Die Blattfederarme jedes elastischen Elements können Teile einer zusammenhängenden Blattfeder sein. Diese Blattfeder oder auch nur die einzelnen Blattfederarme können aus einem metallischen Werkstoff, aber auch aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein.
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Der Abstand zwischen den mindestens zwei elastischen Elementen in Richtung der Achse ist vorzugsweise mindestens so groß wie der doppelte Abstand des äußeren Anschlussbereichs von dem inneren Anschlussbereich radial zu der Achse. Je größer der Abstand der beiden elastischen Elemente in Richtung der Achse ist, desto steifer wird die Führung des Objekts gegenüber der Struktur in Bezug auf Verkippungen des Objekts um senkrecht zu der Achse verlaufende Kippachsen.
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In einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der innere Anschlussbereich jedes Federelements einen gemeinsamen Anschluss für alle Blattfederarme und der äußere Anschlussbereich jedes Federelements einen separaten Anschlusspunkt für jeden Blattfederarm auf. Durch den hier in dem äußeren Anschlussbereich großen Abstand der Blattfederarme ist ein in Umfangsrichtung um die Achse durchgängiger äußerer Anschlussbereich unnötig aufwändig. Zudem können weitere Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen den separaten Anschlusspunkten für jeden Blattfederarm in dem äußeren Anschlussbereich vorgesehen sein.
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Letzteres erweist sich zum Beispiel als vorteilhaft, wenn an dem Objekt über mindestens zwei in Richtung der Achse untereinander beabstandete weitere elastische Elemente eine Tilgermasse gelagert ist, um Schwingungen des Objekts zu tilgen, die doch von der Struktur oder anderweitig auf das Objekt übertragen wurden.
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Die weiteren elastischen Elemente können gleich den elastischen Elementen ausgebildet sein. Dann kann die Eigenfrequenz der Tilgermasse mittels der Tilgermasse selbst leicht auf die Eigenfrequenz des Objekts abgestimmt werden, wie dies für eine maximale Wirksamkeit eines Schwingungstilgers erforderlich ist.
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Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich, wenn die Blattfederarme je eines elastischen Elements zur Abstützung des Objekts an der Struktur und eines weiteren elastischen Elements zur Ankopplung der Tilgermasse an das Objekt spiralförmig ineinander gewunden sind, wobei sie einen gemeinsamen Anschlussbereich für das Objekt aufweisen. Dieser gemeinsame Anschlussbereich ist insbesondere der innere Anschlussbereich des jeweiligen elastischen Elements. Auf einem weiter entfernten Umfang um die Achse folgen dann jeweils ein Anschlusspunkt für einen Blattfederarm des elastischen Elements an die Struktur und ein Anschlusspunkt des weiteren elastischen Elements an die Tilgermasse aufeinander.
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Auch die ineinander gewundenen Blattfederarme des einen elastischen Elements und des einen weiteren elastischen Elements können dabei Teile einer zusammenhängenden Blattfeder sein, wodurch sich ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Tilgermasse ergibt.
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Zwischen den Anschlussbereichen der elastischen Elemente kann eine Dämpfung wirksam sein. Dies gilt nicht nur für die elastischen Elemente, die das Objekt an der Struktur abstützen, sondern auch für die weiteren elastischen Elemente, die eine Tilgermasse an das Objekt ankoppeln. Eine solche Dämpfung dissipiert Bewegungsenergie, hier insbesondere Schwingungs- und Stoßenergie, und verhindert damit große Amplituden der Relativbewegung des Objekts gegenüber der Struktur bzw. der Tilgermasse gegenüber dem Objekt.
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Konkret kann die Dämpfung magnetisch oder durch eine innere Dämpfung der Blattfederarme oder eines auf mindestens einen Blattfederarm mindestens eines elastischen Elements angeordneten Dämpfermaterials bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine gewisse Dämpfung dadurch erreicht werden, dass metallische Blattfederarme mit einer Beschichtung aus Elastomerwerkstoff versehen werden. Grundsätzlich kann auch ein zusätzlicher hydraulischer oder pneumatischer Dämpfer zwischen dem Objekt und der Struktur in Richtung der Achse wirksam sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mindestens ein Blattfederarm auch aktiv deformierbar sein, um beispielsweise Bewegungen des Objekts gegenüber der Struktur aktiv zu dämpfen. Dazu kann an dem Blattfederarm ein aktives Material angeordnet sein. Beispielsweise kann der Blattfederarm mit einem piezoelektrischen Material samt Anschlusselektroden beschichtet sein, das beim Ansteuern den Blattfederarm nach dem Bimetall-Prinzip verbiegt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Schutzansprüchen, 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 Schutzansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Gebrauchsmusters 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 Schutzansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Schutzansprüche 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 Schutzansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Schutzansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Schutzansprüchen 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 Schutzansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Schutzansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Schutzansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die gegenüber der Vorrichtung gemäß 1 um einen Schwingungstilger erweitert ist.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zur Lagerung eines Objekts 2 an einer Struktur 3. Dabei ist die Lagerung in Richtung einer Achse 4 weichelastisch und quer zu der Achse 4 steif. Das Objekt 2 ist daher in Richtung der Achse 4 an der Struktur 3 linear geführt. Das heißt, sowohl Verschiebungen des Objekts 2 gegenüber der Struktur 3 quer zu der Achse 4 als auch Drehungen des Objekts 2 gegenüber der Struktur 3 um die Achse 4 und jede dazu senkrechte Kippachse werden mit hoher Steifigkeit unterbunden. Verschiebungen des Objekts 2 in Richtung der Achse 4 sind hingegen unter Aufwendung nur geringer Kräfte möglich, die erst mit größeren Auslenkungen des Objekts 2 gegenüber der Struktur 3 in Richtung der Achse 4 auf größere Werte ansteigen. Diese Steifigkeitsverteilung sorgt für eine Entkopplung des Objekts 2 von Schwingungen und Stößen der Struktur 3 in Richtung der Achse 4. Bereitgestellt werden diese Steifigkeiten von zwei elastischen Elementen 5, die die wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung 1 sind. Die elastischen Elemente 5 sind Blattfedern 6 mit einer ebenen Grundform, in der sie in 1 dargestellt sind. Dabei weist jede Blattfeder 6 zwei Blattfederarme 7 auf, die spiralförmig ineinander gewunden sind und die sich von einem gemeinsamen inneren Anschlussbereich 8 zu einen jeweils eigenen Anschlusspunkt 9 eines äußeren Anschlussbereichs erstrecken. Der innere Anschlussbereich 8 ist dabei starr an das Objekt 2 angekoppelt, während die Anschlusspunkte 9 starr an die Struktur 3 angekoppelt sind. Jeder Blattfederarm 7 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Achse 4 über einen Winkel von gut 180°, und er weist dabei eine im Wesentlichen konstante Breite innerhalb der Ebene der Grundform des jeweiligen elastischen Elements 5 auf. Die Anordnung der beiden Blattfederarme 7 jedes elastischen Elements 5 ist 180° drehsymmetrisch bezüglich der Achse 4. Alle Blattfederarme 7 beider elastischen Elemente 5 weisen eine gleiche Spiralrichtung um die Achse 4 auf. Der Abstand der beiden elastischen Elemente 5 längs der Achse 4 ist um ein Vielfaches größer als der Abstand der Anschlusspunkte 9 von dem Anschlussbereich 8 in radialer Richtung zu der Achse 4.
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2 zeigt einen Aufbau der Vorrichtung 1, der gegenüber 1 um einen Schwingungstilger 10 ergänzt ist. Der Schwingungstilger 10 weist eine koaxial zu dem Objekt 2 angeordnete rohrförmige Tilgermasse 11 auf, die über zweit weitere elastische Elemente 12 an dem Objekt elastisch abgestützt ist, und zwar ebenfalls weichelastisch parallel zu der Achse 4 und ansonsten steif. Dies wird dadurch erreicht, dass die elastischen Elemente 12 jeweils Blattfederarme 13 aufweisen, die gleich wie die Blattfederarme 7 der elastischen Elemente 5 ausgebildet sind. Dabei sind auch die Blattfederarme 13 Teile der Blattfedern 6 und erstrecken sich von dem gemeinsamen Anschlussbereich 8 nahe der Achse 4 spiralförmig zu weiter außen liegenden Anschlusspunkten 14, wo sie starr an die Tilgermasse 11 angekoppelt sind. In Umfangsrichtung um die Achse 4 folgt bei jeder Blattfeder 6 ein Blattfederarm 13 auf einen Blattfederarm 7 und umgekehrt, wobei alle Blattfederarme 7, 13 gleiche Abstände zueinander aufweisen. Durch den Schwingungstilger 10 werden Schwingungen des Objekts 2 in Richtung der Achse 4 getilgt, d. h. auf die Tilgermasse 11 übertragen, so dass diese gegenphasige Kräfte auf das Objekt 2 ausübt und das Objekt 2 damit ruhig hält. Daneben kann, was hier nicht dargestellt ist, auch eine Dämpfung für die Bewegung der Tilgermasse 11 und/oder des Objekts 2 in Richtung der Achse 4 vorgesehen sein. Weiterhin können die Blattfederarme 7 und/oder die Blattfederarme 13 mit aktiv ansteuerbaren Materialien belegt sein, um sie durch Ansteuerung dieser Materialien aktiv zu deformieren. Hierdurch sind gezielt Kräfte zwischen der Struktur 3 und dem Objekt 2 bzw. dem Objekt 2 und der Tilgermasse 11 aufbringbar, um deren Relativbewegung zu beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Objekt
- 3
- Struktur
- 4
- Achse
- 5
- elastisches Element
- 6
- Blattfeder
- 7
- Blattfederarm
- 8
- innerer Anschlussbereich
- 9
- Anschlusspunkt
- 10
- Schwingungstilger
- 11
- Tilgermasse
- 12
- weiteres elastisches Element
- 13
- Blattfederarm
- 14
- Anschlusspunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5492313 A [0004, 0005]
- DE 19723515 A1 [0006]
