-
Die Erfindung betrifft einen neuen aus einzelnen Module aufbaubaren ringförmigen Torsions-Schwingungstilger, welcher auf variable anzuordnenden mit und/oder ohne Dämpfung ausgestatteten Federelementen basiert. Somit können, durch gezielte Einstellung der Dämpfung über einen großen Bereich in optimaler Weise in einem System auftretenden Drehschwingungen verringert oder gar eliminiert werden. Die neuen Torsionstilger können in einfacher Weise an beliebigen oder gezielten Stellen von rotierenden Wellen oder Achsen, an denen Schwingungskräfte wirken, verbaut werden. Ihr Einsatz ist insbesondere für Windkraftanlagen vorgesehen.
-
Torsions-Schwingungstilger werden heute in vielen Bereichen der Technik eingesetzt und sind in der Literatur umfassend beschrieben. Entsprechende störenden oder gar zerstörerische Schwingungen treten häufig bei sich schnell rotierenden Achsen und Wellen in Motoren und Getrieben auf. Nach dem Stand der Technik wird ein Torsions-Schwingungstilger für eine bestimmte Tilgerfrequenz konstruiert und gebaut, welche wiederum durch die Drehschwingungs-Eigenschaften das zu dämpfende System gegeben ist. Der nicht-einstellbare Torsions-Schwingungstilger des Standes der Technik kann dann nur für die vorher gewählte Frequenz verwendet werden, oder aber es ist ein erheblicher Aufwand erforderlich, den an sich nicht-einstellbaren Torsions-Schwingungstilger in der Weise umzubauen, dass er auch zu Dämpfung von anderen Frequenzen eingesetzt werden kann.
-
Aus dem Patent
US 4,023,438 ist ein einstellbarer Tilger auf Basis von Elastomerschichten bekannt, welcher zur Eliminierung oder Reduzierung von Torsionsschwingungen geeignet ist. Der Tilger umfasst scheibenförmige Elemente, die konisch zueinander angeordnet sind und welche die ebenfalls als Scheibe geformte Tilgermasse aufnehmen. Aus der
EP 1 197 678 A1 ist ein Torsionsschwingungstilger zur Dämpfung von Torsionsschwingungen von Achsen oder Wellen bekannt, der im Wesentlichen aus einem Trägerteil und einer Schwung- oder Tilgermasse besteht, die mittels elastomerer Schichten miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungsflächen eine im Querschnitt von der Kreisform abweichende Kontur aufweisen und die Elastomerschichten durch Spannvorrichtungen individuell versteift werden und auf das zu dämpfende System eingestellt werden können. Dieser Dämpfer hat sich bereits als sehr effektiv herausgestellt, weil er auch in Bezug auf einen bestimmten Frequenzbereich individuell, leicht und exakt einstellbar ist. Die Einfluss auf die Dämpfung ist jedoch bei diesem System abhängig von dem gewählten Frequenzbereich. Überdies benötigt ein Torsionstilger dieses Typs relativ viel Platz im Bereich um die zu dämpfende Welle oder Achse, der nicht immer an der Stelle, an welcher der Tilger optimaler Weise anzubringen wäre, zum Beispiel auf dem Strang zwischen Getriebe und Motor oder Getriebe und Generator, vorhanden ist.
-
Es bestand somit die Aufgabe, einen Torsions-Schwingungstilger bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile nicht aufweist, insbesondere sollte er sehr flexibel in Bezug auf seine Platzierung in der Anlage sein, ohne dabei an Effektivität bei der Reduzierung der auftretenden Torsionsschwingungen zu verlieren.
-
Es wurde nun gefunden, dass ein kreisförmiger aus zwei zusammenhängenden Ringen bestehenden Tilger aus Bauteilen mit geringer oder keiner Dämpfung und Bauteilen mit guter Dämpfung die gewünschten Eigenschaften aufweist.
-
Gegenstand der Erfindung ist somit ein einstellbarer Tilger, geeignet zur Eliminierung oder Reduzierung von bei angetriebenen Wellen oder Achsen auftretenden Torsionsschwingungen, wobei der Tilger folgende Merkmale aufweist:
- (a) eine Tilgermasse, welche als äußerer Ring oder äußeres Ringelement (1), vorzugsweise aus Stahl oder Metall ausgebildet ist, und dessen innerer Umfang (i) mindestens ein radial nach innen gerichtetes, materialsteifes hartes elastomerfreie Federelement (2), vorzugsweise eine Stahlfeder, aufweist, sowie (ii) mindestens einen radial nach innen gerichteten Befestigungsflansch (3), und
- (b) einen inneren Ring oder ein inneres Ringelement (4), dessen äußerer Umfang (i) mindestens ein radial nach außen gerichtetes materialweiches elastomeres Federelement (7) aufweist, welches zwischen einem Klemmblock (8) vorzugsweise auf dem inneren Ring oder Ringelement mittels Spannelementen (13) und dem Befestigungsflansch (3) des äußeren Ringes oder Ringelementes befestigt und angeordnet ist, sowie (ii) mindestens einen radial nach außen gerichteten Klemmblock (5) aufweist, welcher gegenüber dem elastomerfreien Federelement (2) des äußeren Ringes positioniert ist, und dieses festspannt,
so dass bei Auftreten torsionaler Kräfte auf die Welle oder Achse (6) das elastomerfreie Federelement (2) federelastisch dämpfungsfrei oder nahezu dämpfungsfrei, und das elastomere Federelement (7) federelastisch dämpfend reagiert.
-
Der erfindungsgemäße Torsionstilger weist als zwei Typen von Federelementen auf: zum einen ein vorzugsweise Stahlfederelement (2), welches so angeordnet ist, dass es torsional wirkt und nur eine geringe oder keine Dämpfung aufweist, und zum anderen ein Elastomerelement (7), welches ebenfalls torsional wirkt und eine hohe Dämpfung erlaubt. Natürlich können erfindungsgemäß die beiden unterschiedlichen Typen von Federelementen auch am jeweils anderen Ring oder Ringelement befestigt sein. Somit ist beispielsweise auch Gegenstand der Erfindung ein entsprechender Tilger, welcher umfasst:
- (a) eine Tilgermasse, welche als äußerer Ring oder äußeres Ringelement (1), vorzugsweise aus Stahl oder Metall ausgebildet ist, und dessen innerer Umfang (i) mindestens ein radial nach innen gerichtetes materialweiches elastomeres Federelement (7) aufweist, welches zwischen einem Klemmblock (8) vorzugsweise auf dem äußeren Ring oder Ringelement mittels Spannelementen (13) und dem Befestigungsflansch (3) des inneren Ringes oder Ringelementes befestigt und angeordnet ist, sowie (ii) mindestens einen radial nach innen gerichteten Klemmblock (5) aufweist, welcher gegenüber dem elastomerfreien Federelement (2) des inneren Ringes positioniert ist, und dieses festspannt, und
- (b) einen inneren Ring oder ein inneres Ringelement (4), dessen äußerer Umfang (i) mindestens ein radial nach außen gerichtetes, materialsteifes hartes elastomerfreie Federelement (2), vorzugsweise eine Stahlfeder, aufweist, sowie (ii) mindestens einen radial nach außen gerichteten Befestigungsflansch (3),
so dass bei Auftreten torsionaler Kräfte auf die Welle oder Achse (6) das elastomerfreie Federelement (2) federelastisch dämpfungsfrei oder nahezu dämpfungsfrei, und das elastomere Federelement (7) federelastisch dämpfend reagiert.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Klemmblock (5) mit Befestigungsmitteln (11) an den inneren Ring (4) oder das jeweilige Ringelement lösbar, vorzugsweise abschraubbar, befestigt, so dass die Federlänge des Federelementes (2) durch Ein- oder Ausführen von Unterlegescheiben oder -blechen (9) geändert kann, wodurch die Frequenz gezielt verändert werden kann. Gegenstand der Erfindung ist somit ein entsprechender Torsionstilger, bei dem die Höhe des Klemmblockes (5) durch Unterlegscheiben (9) veränderbar ist, so dass das elastomerfreie Federelement (2) in unterschiedlicher Höhe verspannt und somit seine Federlänge und damit seine Federeigenschaft verändert werden kann. Der äußere Ring 1 (oder Ringelement) ist mit dem inneren Ring (oder Ringelement) zum einen unmittelbar über das Federelement (2), zum anderen unmittelbar über das flanschähnliche Element (3) verbunden.
-
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tilgers besteht das elastomere Federlement (7) aus zwei Segmenten oder Schichten, welche durch den Befestigungsflansch (3) getrennt sind, und gegenüber diesen durch den Klemmblock (8) und die Spannmittel (13) gegeneinander verspannt sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das elastomerfreie Federelement (2) eine Stahlfeder, welche keine oder nur eine vernachlässigbar kleine Dämpfung aufweist.
-
Das Flanschelement (3) ist in der erfindungsgemäßen Standardversion selbst keine Feder oder wirkt nicht als solche. In einer besonderen Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dieses verbiegungssteife Flanschelement (3) durch eine federelastische Stahlfeder entsprechend des Federelementes (2) zu ersetzen. Damit werden beide Federeigenschaften (2) (7) in einem Bauelement verwirklicht. Gegenstand der Erfindung ist somit ein entsprechender Torsionstilger, bei dem der Befestigungsflansch (3) selbst ein materialsteifes hartes elastomerfreies Federelement vorzugsweise in Form einer Stahlfeder ist, so dass Stahlfedersteifigkeit ohne elastischer Dämpfung und Elastomerfedersteifigkeit mit elastischer Dämpfung in einem Bauelement vorliegen.
-
Um ungewünschte Schwingungen oder Unwuchten zu vermeiden, müssen die beiden Federelemente unterschiedlichen Typs (2) (7) jeweils unter sich symmetrisch um den gesamten Ring (Außen- bzw. Innenring) verteilt sein. Dabei kann aber die Anzahl des Federelementes (2) und die Anzahl des Federelementes (7) im Ring oder Ringsegment unterschiedlich sein, je nachdem welche Steifigkeit bevorzugt eingestellt werden soll (Stahlfedersteifigkeit ohne Dämpfung oder Elastomerfedersteifigkeit mit Dämpfung).
-
Der erfindungsgemäße Torsionstilger kann aus einem durchgehenden kreisförmigen äußeren und inneren Ring bestehen, er kann aber auch sich aus einzelnen getrennt montierbaren Ringmodulen oder Ringsegmenten zusammengesetzt sein, wobei jedes Ringmodul vorzugsweise mindestens ein elastomerfreies Federelement (2) und mindestens ein elastomeres Federelement (7) aufweist.
-
Vorzugsweise findet der erfindungsgemäße Torsionstilger Anwendung bei der Reduzierung von Torsionsschwingungen im Antriebs- oder Getriebestrang einer Windkraftanlage oder Maschine.
-
Der erfindungsgemäße Torsionstilger besteht, wie bereits beschrieben, aus einem Innenring (4) und aus einem Außenring (1). Die beiden Ringe sind über vorzugsweise Stahlfedern (2) und Elastomerfedern (7) miteinander verbunden. Die Stahlfedern sind vorzugsweise einfache rechteckige Platten, können aber auch andere Formen haben. Innen- und Außenring sind zur einfachen Montage in beliebig viele Teilstücke aufteilbar, beipielsweise zwei, drei, vier, sechs oder acht.
-
Erfindungswesentlich ist, dass der erfindungsgemäße Torsionstilger sowohl in der Frequenz als auch in der Dämpfung variabel einstellbar ist. Über das Verhältnis von Anzahl und Größe der Stahlfedern zu Anzahl und Größe der Elastomerfedern kann das Steifigkeitsverhältnis der Federn ohne (Stahl) und mit Dämpfung (Elastomer) in einem weiten Bereich variiert werden. Damit kann sehr einfach die Dämpfung im Bereich von D = 0 bis D = 0.1 beliebig eingestellt werden.
-
Bei Verwendung eines hohen Verhältnisses von Stahlfedersteifigkeit zu Elastomerfedersteifigkeit wird die Gesamtdämpfung des Tilgers sehr niedrig. Dies ist bei Einsatz des Tilgers bei Störfrequenzen, die nicht von einer Resonanz des schwingenden Systems herrühren von Vorteil. Gleichzeitig kann damit die Temperaturempfindlichkeit des Tilgers gegenüber herkömmlichen Elastomertilgern deutlich verringert werden. Nach Vorauswahl von Stahlfedersteifigkeit und Elastomerfedersteifigkeit kann die Tilgerfrequenz durch Ändern der Klemmlänge der Stahlfedern (2) eingestellt werden. Dies erfolgt durch Hinzufügen bzw. Entfernen von Unterlegblechen (9) unter die Klemmblöcke (5). Damit kann die Frequenz in Abstufungen von ca. 0,25 Hz/mm eingestellt werden. Der erfindungsgemäße Torsionstilger kann in Größe und Massenträgheit leicht verändert werden. Dadurch ist er für verschiedene Anwendungen in verschiedenen Positionen von Antriebsträngen von Windkraftanlagen, Fahrzeugen und Schiffen einsetzbar.
-
Je nach Elastomerschicht-dicke und -fläche lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Tilger besonders gut Torsionsschwingungen im Bereich zwischen 1 bis 200 Hz, vorzugsweise zwischen 5 bis 100 Hz, insbesondere zwischen 20 bis 100 Hz dämpfen. Aber auch Schwingungen über 200 Hz können mit dem erfindungsgemäßen Tilger angesprochen werden.
-
Der Einsatz des erfindungsgemäßen einstellbaren Torsions-Schwingungstilgers ist besonders bei ähnlichen Maschinen, welche jedoch innerhalb eines bestimmten Rahmens unterschiedliche Störfrequenzen aufweisen, vorteilhaft. Somit kann der erfindungsgemäße Torsions-Schwingungstilger an die unterschiedlichen Gegebenheiten der einzelnen Maschinen angepasst werden kann. Auch ist es möglich, bei der gleichen Maschine, deren Schwingungs-charakteristika sich auf Grund von Abnutzungserscheinungen oder anderen Betriebsbedingungen geändert haben, durch leicht durchzuführendes Nachstellen der Steifigkeit des Tilgers wiederum optimale Dämpfung im Bezug auf die erregende Drehschwingung herzustellen. Ein weiterer Vorteil des einstellbaren Torsions-Schwingungstilgers ist der Einsatz in Maschinen deren Störfrequenzen im Entwicklungsstadium noch nicht festgestellt werden konnten. Darüber hinaus kann der einstellbare Torsions-Schwingungstilger an bereits montierten und im Einsatz befindlichen Maschinen mit störenden Frequenzen, bei denen die besagten Störfrequenzen im Vorfeld nicht bekannt waren oder nicht bestimmt werden konnten, schnell angepasst werden, wodurch Schwingungs-probleme im Nachhinein schnell und kostengünstig beseitigt werden können ohne dass erst größere Schäden auftreten.
-
Die Elastomerschichten (7) des erfindungsgemäßen Tilgers bestehen im Wesentlichen aus einem Naturkautschuk, einem Naturkautschukderivat oder aus einem geeigneten elastischen polymeren Kunststoff oder Kunststoffgemisch. Die Elastomerschicht kann erfindungsgemäß unterschiedliche Härte (”Shore-Härte”) und unterschiedliche Dämpfungseigenschaften aufweisen, entsprechend den gewünschten Anforderungen. Vorzugsweise werden Elastomere mit einer Härte von 20 bis 100 Shore, insbesondere 30 bis 80 Shore verwendet. Die Herstellung derartiger Elastomere unterschiedlicher Härte ist im Stand der Technik bekannt und in der einschlägigen Literatur hinreichend beschrieben. Vorzugsweise werden handelsübliche Naturkautschuke oder Kunststoffe eingesetzt. Beispiele für geeignete Elastomere sind: Naturkautschuk, Isopren-, Butadien, Polynorbonen-, Chloropren-, Styrolbutadien-, Butyl-, Äthylenpropylen-, Nitril-, Polyurethan-, Acrylat-, Äthylenacrylat, Silicon- oder Fluor-Kautschuke bzw. Kunststoffe. Die Ringe oder Ringsegmente (1) (4) bestehen vorzugsweise aus Metall, vorzugsweise Stahl.
-
Erläuterungen der Abbildungen und Bezugsgrößen:
-
erfindungsgemäßer kreisförmiger Torsions-Schwingungstilger umfassend mehrere Module aus gedämpften und ungedämpften Federlementen
-
Modul eines erfindungsgemäßen Tilgers aus
-
3-D Sicht des Moduls aus
.
| 1 | Äußerer Ring (Tilgermasse) |
| 2 | Materialsteifes Federelement |
| 3 | Befestigungsflansch für Elastomerbauteile (4) |
| 4 | Innerer Ring |
| | |
| Pos 5 | Klemmblock zur Fixierung des Federelementes (2) |
| Pos 6 | Zu beruhigender Rotationskörper (Welle, Achse) |
| Pos 7 | Elastomeres/elastisches Federelement |
| Pos 8 | Klemmblöcke zur Fixierung des Elastomerbauteils (4) sowie Halterung für Befestigungsflansch (3) |
| Pos 9 | Unterlegscheiben zur Veränderung der Steifigkeit des Federlementes (2) |
| Pos 10 | |
| Pos 11 | Verschraubung der Klemmblöcke (5) mit innerem Ring (4) |
| Pos 12 | Verschraubung unelastisches Federelement (2) über Klemmblöcke (5) |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 4023438 [0003]
- EP 1197678 A1 [0003]
