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Verfahren und Einrichtungen zur Dämpfung mechanischer Schwingungen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Einrichtungen zur
Dämpfung angeregter mechanischer Schwingungen einer Masse um eine räumlich bestimmbare
Gleichgewichtslage.
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Es ist bekannt, schwingungsfähige Massen, wie z.B.
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Geräte auf Fahrzeugen, Fahrzeugkarosserien, Motoren mit Unwucht, Waschmaschinentrommeln,
auf gedämpften Schwingungssystemen zu lagern, damit etwa auftretende Stöße oder
Schwingungsanregungen mit möglichst kleinen Kräften weitergegeben werden und eine
angeregte Schwingung möglichst schnell abklingt oder zumindest nicht zu große Amplituden
erhält.
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Ganz allgemein sollen bei Anregung von außen - z.B.
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entsprechend der Forderung, ein Gerät "erschütterungsfrei" aufzustellen
- die auf die schwingend gelagerten Massen
wirkenden Kräfte nur
kleine Beschleunigungen und damit kleine Trägheitskräfte, aber auch möglichst kleine
Schwingungsamplituden hervorrufen. Bei Anregung in der schwingenden Masse, wie sie
z.B. infolge Unwucht eines Motors auftritt, sollen die von der Masse auf die Umgebung
wirkenden Kräfte sowie ebenfalls die Schwingungsamplituden möglichst klein sein.
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Es ist bekannt, im Hinblick auf diese Ziele die Eigenfrequenz #o
= 2#f0 (worin f = Eigenschwingungsfrequenz in l/s) der frei und gedämpft schwingenden
Masse einer Maschine oder eines Gerätes weit unterhalb der Anregungskreisfrequenz
# =2#1 (f = Schwingungsfrequenz in l/s) zu legen. Dies wird als überkritische Lagerung
der Maschine oder des Gerätes bezeichnet. Die Dämpfungskraft ist dabei normalerweise
proportional der Geschwindigkeit oder dem Quadrat der Geschwindigkeit. Die Eigenkreisfrequenz
00 ist in diesen Fällen etwa proportional
(c = Federkonstante der Schwingungselemente, auf denen die Masse M schwingt).
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Es gilt
wobei vernachlässigt wird, daß die Dämpfung den Wert #o etwas kleiner
werden läßt. Allgemein bedeutet über kritische Lagerung", daß die Federkonstante
c möglichst klein gemacht wird.
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Insbesondere in Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen ist aber die freie
Wählbarkeit der Federkonstante c dadurch nach unten begrenzt, daß langdauernde Trägheitskräfte
beim Bremsen, beim Kurvenflug oder beim Seegang oder durch Andrücken der schwingenden
Masse an den Boden oder gegen Seitenwände die Masse am Ausschwingen verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dämpfungsverfahren
zu schaffen, mit dem erreicht wird, daß die angeregten mechanischen Schwingungen
im kritischen Frequenzbereich stark gedämpft werden, daß aber eine Vergrößerung
der von der Federkonstanten herrührenden, unvermeidbaren Beschleunigungskraft durch
die Dämpfungskraft beim Ausschwingen vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dämpfungskraft
im wesentlichen jeweils genau oder annähernd in demjenigen Phasenzeitpunkt der Schwingung
zum Einsatz gebracht wird, bei dem die schwingende Masse ihre äußerste Auslenkung
erfährt, während des Zurückschwingens der Masse einwirken gelassen, aber unwirksam
gemacht wird, bevor die Masse ihre Gleichgewichtslage erreicht, und stets kleiner
gehalten wird als die im jeweils
zugeordneten Zeitpunkt wirksame
Rückstellkraft.
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Die Vorteile dieses Verfahrens sind folgende: Die Federkonstante
kann, ohne daß eine unerwünscht hohe Eigenfrequenz in Kauf genommen werden müßte,
so groß gemacht werden, wie dies zur Ortsfixierung der schwingenden Masse in Richtung
auf ihre Gleichgewichtslage erwünscht ist, weil die Unwirksamkeit der Dämpfung während
des Ausschwingens sich als Herabsetzung der Eigenfrequenz der schwingenden Masse
auswirkt. Die Eigenfrequenz ist nämlich kleiner, als wenn die Dämpfungskraft wie
bisher üblich auch während des Ausschwingens der Masse aus ihrer Gleichgewichtslage
wirksam wäre. Im überkritischen Bereich, in welchem Amplituden und Beschleunigungskräfte
ohnehin klein sind, kann die Masse -auch bei starker Dämpfung im kritischen Bereich
- praktisch dämpfungsfrei schwingen, so daß ein unerwünschter und unnützer Umsatz
von Energie in Wärme unterbleibt. Dadurch, daß die Eigenfrequenz und damit der kritische
Schwingungsbereich zu niedrigeren Frequenzwerten hin verlagert wird, gelangt die
schwingende Masse verhältnismäßig rasch in den überkritischen Frequenzbereich, in
welchem sie dämpfungsfrei schwingen kann.
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Die Wirkung der Erfindung ist dadurch zu erklären, daß die Dämpfungskräfte
beim Zurückschwingen der Masse - im Gegensatz zu ihrer Richtung beim Ausschwingen
- entgegengesetzt zu der Federkraft oder sonstigen Rückstellkraft
gerichtet
sind. Es ergibt sich daher, daß auf die zurückschwingende Masse jeweils eine nur
kleine Differenzkraft einwirkt, welche dieser eine nur kleine Beschleunigung und
damit eine kleine Trägheitskraft erteilt.
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Während des Ausschwingens bleiben dadurch, daß dann nur unwesentliche
oder keine Dämpfungskräfte auftreten können, die Beschleunigungen und Trägheitskräfte
der schwingenden Masse praktisch auf denjenigen Betrag beschränkt, der sich unvermeidlicherweise
aus der Federkonstanten ergibt.
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Im folgenden ist die Erfindung prinzipiell anhand mehrerer möglicher
Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens, von
denen einige in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 und 2 Ausführungsformen solcher Einrichtungen mit
Verwendung einer Haftkleberschicht zur Lieferung der nur beim Zurückschwingen der
Masse wirksamen Dämpfungskraft.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine richtungsabhängige
Reibungskraft auf die schwingende Masse beim Zurückschwingen aus ihrer einen extremen
Stellung einwirkt.
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Fig. 4 zeigt ein anderes Beispiel einer solchen Ausführungsform,
bei der die richtungsabhängige Dämpfungskraft von einer aufgestülpten,
in
einen Hohlzylinder eintauchenden elastischen Scheibe geliefert wird.
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Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform mit Lieferung einer richtungsabhängigen
Dämpfung kraft durch eine pneumatische oder hydraulische Einrichtung und Fig. 6
eine auf elektrostatischem Wege erzeugte durch die Schwingbewegung gesteuerte richtungsabhängige
Dämpfungseinrichtung.
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In den Figuren ist jeweils die schwingende Masse mit M bezeichnet.
Ihre Schwingbewegung ist durch einen Doppelpfeil angedeutet.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Masse M zwischen zwei Schraubenfedern 11,
11' aufgehängt und führt eine Schwingbewegung in Querrichtung zu diesen Federn aus.
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Sie trifft in ihren extremen Stellungen gegen jeweils einen Anschlag
12 bzw. 12'* zur Lieferung der Dämpfungskraft, die gemäß der Erfindung nur bei der
Rückschwingbewegung wirksam sein soll, kann die Oberfläche des Anschlages 12 bzw.
12' mit einer Haftkleberschicht 13 bzw. 13' überzogen sein. Diese sucht die schwingende
Masse, die beim Ausschwingen mit ihr in Berührung gelangt, festzuhalten, so daß
die Masse sich beim Rückschwingen durch Abreißen lösen muß, wodurch ihre Bewegung
beim Rückschwingen gedämpft wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird die schwingende Masse M
von einer einseitig eingespannten Blattfeder 21 getragen, die beim Ausschwingen
in jede Richtung allmählich fortschreitend mit einer ortsfesten Anlage 22 bzw. 22'
in Berührung gelangt, von der sie sich beim Zurückschwingen fortschreitend ablöst.
Auch diese Kurvenbahn kann mit einer Haftkleberschicht 23 bzw. 23' belegt sein,
so daß das fortschreitende Abreißen eine kontinuierlich abnehmende Dämpfungskraft
beim Rückschwingen der Masse zur Folge hat.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens, bei der eine richtungsabhängige Reibungskraft längs der Bewegungsbahn
der schwingenden Masse M so angeordnet ist, daß sie auf deren Bewegung beim Rückschwingen
stärker als beim Ausschwingen verzögernd einwirkt. Die Masse M, die an Federn 31,
31' aufgehängt ist, ist hier mit einem Keil 32 verbunden, der während des Ausschwingens
nach oben zwischen zwei Rollen 33, 34 eintritt.
Diese beiden Rollen
sind an Gelenkarmen 35, 36 gelagert, welche eine Feder 37 zusammenzudrücken sucht.
Die Rollen 33, 34 sind in der jeweils durch einen Pfeil angegebenen Drehrichtung
leicht bewegbar, in der entgegengesetzten Drehrichtung dagegen nicht; dies ist dadurch
veranschaulicht, daß an jeder Rolle ein Kranz von Sperrzähnen angedeutet ist, in
die eine Sperrklinke 38 bzw. 39 eingreift.
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Durch diese Anordnung wird bewirkt, daß auf die Bewegung der Masse
M beim Ausschwingen nach oben nur eine geringe, bei der Rückschwingbewegung dagegen
eine relativ große Dämpfungskraft in Form von Reibung zwischen den Keilen 32 und
den Rollen 33 und 34 ausgeübt wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist mit der an einer Feder 41
aufgehängten schwingenden Masse ein Kolben in Form einer einseitig zur Masse hin
aufgestülpten elastischen Scheibe 42 verbunden und so angeordnet, daß sie beim Ausschwingen
der Masse nach unten mit geringem Kraftaufwand in einen Hohlzylinder 43 eintaucht
und beim Rückschwingen mit größerem Kraftaufwand wegen der dann größeren Reibung
zwischen Scheibe und Hohlzylinder aus diesem herausgezogen wird.
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Bei Fig. 5 ist die in gleicher Weise an einer Feder 51 aufgehängte
Masse M mit einem Kolben 52 verbunden, der in einem mit einem pneumatischen oder
hydraulischen Medium gefüllten Hohlzylinder 53 beweglich angeordnet ist. Ein Rückschlagventil
54 ist so an dem Zylinder angeordnet, daß
es das Medium im Innern
des Zylinders 52 bei der Ausschwingbewegung der Masse bzw. Abwärtsbewegung des Kolbens
52 leicht aus dem Zylinder 53 austreten läßt, aber dem Zurückströmen des Mediums
in den Zylinder einen erheblichen Widerstand entgegensetzt, der sich als Dämpfungskraft
auf die Bewegung der Masse M bei deren Rückschwingbewegung auswirkt.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die die
Rückschwingbewegung verzögernde Dämpfungskraft mit elektrostatischen Mitteln hervorgebracht
wird. Die Masse M wird hier von einer einseitig eingespannten Blattfeder 61 getragen.
Sie trägt auf beiden Seiten je eine Kondensatorplatte 62 bzw. 62'. Diese ist bei
der Gleichgewichtslage der Masse M mit vollen Linien gezeichnet und in der äußersten
Endstellung, die sie beim Ausschwingen erreicht, gestrichelt angedeutet. Durch ortsfeste
Kontakte werden die Kondensatorplatten 62, 62' in der Ruhelage mit Erde E und in
der beim Ausschwingen erreichten äußersten Endstellung mit dem einen Pol einer Batterie
B verbunden.
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Der andere Pol der Batterie B liegt ständig an ortsfesten Kondensatorplatten
63 bzw. 63', die gegenüber und nahe bei der gestrichelt dargestellten äußersten
Endstellung der mit der schwingenden Masse M verbundenen Kondensatorplatten 62 bzw.
62' angeordnet sind. - In der Gleichgewichts- oder Ruhelage der Masse M werden die
mit ihr verbundenen Kondensatorplatten 62 und 62' über die sie dann berührenden
Kontakte
mit Erde E verbunden und dadurch auf neutrales Potential
gebracht. Gelangt die Masse beim Ausschwingen in ihre Endstellung und nimmt die
mit ihr verbundene Kondensatorplatte 62 bzw. 62' die gestrichelt gezeichnete Lage
ein, so wird sie über den dann von ihr berührten ortsfesten Kontakt mit dem einen
Pol der Batterie verbunden und dadurch auf das Gegenpotential zur Kondensatorplatte
63 bzw. 63' aufgeladen.
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Zwischen den sich in einem kurzen Abstand gegenüberstehenden Platten
62, 63 bzw. 62', 63' wird dadurch eine elektrostatische Anziehungskraft ausgeübt,
welche der Rückschwingbewegung der Masse M einen Widerstand entgegensetzt und die
Bewegung der Masse dämpft. Bei Rückkehr in die Ausgangslage wird die bewegliche
mit der Masse verbundene Kondensatorplatte wieder nach Erde entladen.
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Die Figuren 7 und 8 veranschaulichen eine weitere, besonders wichtige
Ausführungsmöglichkeit der Erfindung. Bei der Einrichtung nach Fig. 7 ist eine in
Pfeilrichtung nach oben und unten ausschwingende Masse 71 vorhanden, die beispielsweise
von einer einseitig eingespannten Blattfeder 70 getragen werden kann. Zur Schwingungsdämpfung
sind hier magnetische Bremsfelder vorgesehen. Die schwingende Masse oder Teile davon
bestehen aus Magnetwerkstoff, z.B einem Eisenkern, der in einem steuerbaren Magnetfeld,
beispielsweise einer Induktionsspule, angeordnet ist, das beispielsweise durch Intensitätssteuerung
derart phasenrichtig gesteuert wird, daß die Dämpfung des Eisenkern und damit der
schwingenden Masse bei deren Bewegung aus der Ruhelage
klein oder
gleich Null, beim Zurückschwingen dagegen bis höchstens etwa zum Erreichen der Ruhelage
groß ist. Die phasenrichtige Intensitätssteuerung der Magnetfeldenergie kann beispielsweise
über mechanische Stellglieder erfolgen, die von der schwingenden Masse angetrieben
werden und den Stromfluß in der Erregerspule des Elektromagneten beispielsweise
über me dianisch bewegte Widerstände regeln. Die phasenrichtige Intensitätsregelung
der Magnetfeldenergie kann aber auch besonders vorteilhaft durch induktive piezoelektrische,
optische, pneumatische oder auch andere an sich bekannte Schwingungsmeßgeber bewirkt
werden.
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Bei der Einrichtung nach Fig. 7 überträgt die sich in den Richtungen
yl und y2 bewegende Masse 71 ihre Schwingungen auf den mit ihr verbundenen Spulenkern
72, der aus magnetischem Werkstoff besteht und sich frei innerhalb der Induktionsspule
73 bewegen kann. Die Spule 73 ist ein frequenzbestimmendes Element des Frequenzgenerators
74.
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Mit der schwingenden Masse 71 ist weiterhin auf jeder Seite ein Spulenkern
78 bzw. 78' verbunden, der sich innerhalb einer Magnetspule 79 bzw. 79' bewegen
kann.
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Fig. 8 veranschaulicht die Schwingungsbewegung der Masse 71 nach
den Richtungen yl und y2 und jeweils zurück in die Ruhestellung Null.
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Die Spule 73 ist ein frequenzbestimmendes Element des Frequenzgenerators
74. Bei den Schwingungen der Masse 71 und damit des Spulenkerns 72 wird die Schwingung
des Frequenzgenerators 74 frequenzmoduliert. Das Frequenzgemisch wird in dem Demodulator
75 demoduliert. In der nachgeschalteten Brücken- und Gleichrichterstufe 76 wird
mittels der Demodulationsspannung in bekannter Weise erreicht, daß in der Schwingungsphase
a, d.h. während die Masse 71 aus der Ruhelage in Richtung yl ausschwingt, die Magnetspulen
79, 79' nicht erregt werden, daß aber beim Zurückschwingen der Masse in die Ruhelage,
d.h. in der Phase b, die Spule 79 erregt wird und dämpfend auf den Spulenkern 78
und damit auf die Masse 71 einwirkt. Die Spule 79' ist in den Phasen a und b unerregt.
In der Phase c, bei der die Masse 71 aus ihrer Ruhelage in Richtung y2 schwingt,
werden die Spulen 79, 79' nicht erregt. Dagegen wird die Spule 79' beim Zurückschwingen
der Masse 71 entgegen der Richtung y2 in die Ruhelage erregt und wirkt dämpfend
auf den Spulenkern 78' und damit auf die Masse 71 ein. Die dämpfende Wirkung der
Spulen 79 bzw. 79', die jeweils beim Zurückschwingen der Masse in ihre Ruhelage
eintritt, ist in Fig. 8 jeweils durch einen schräg gerichteten Pfeil veranschaulicht.
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Dadurch, daß zusätzlich die Schwingungsfrequenz der Masse 71 auf
bekannte Weise gemessen wird, kann die Regelkurve der Intensitätssteuerung des Magnetfeldes
so beeinflußt
werden, daß praktisch jede gewünschte Dämpfungskurve
erzielt werden kann.
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Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung werden
durch die hier nur im Grundsätzlichen beschriebenen und erläuterten Beispiele keineswegs
erschöpft. So kann die Dämpfung während des gesamten Rückschwingvorgangs bis zur
Ruhelage der Masse mit gleicher Stärke oder auch abgestuft ggf. nur während eines
Teils der Rückschwingvorgänge erfolgen. Auch lassen sich grundsätzlich das Verfahren
und die Einrichtungen nach der Erfindung zur Dämpfung der Rückschwingbewegung sowohl
auf beiden als auch auf nur einer Seite der Ruhelage der schwingenden Masse anwenden.
Ferner kann eine magnetische Dämpfung nicht nur durch Ausnutzung der Anziehungskraft,
sondern auch durch Ausnutzung der Abstossungskraft von Magneten bewirkt werden.
Auch kann der magnetische Werkstoff der Spulenkerne - oder im Falle einer Schwingankerdämpfung
der Schwingankermagnetwerkstoff - eine Vormagnetisierung aufweisen oder ohne Vormagnetisierung
verwendet werden. Wird ein Elektromagnet zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehen,
dessen Feldstärke in Abhängigkeit von der Schwingungsphase und/oder -frequenz der
schwingenden Masse steuerbar ist, so kann die Steuerung der Feldstärke sowohl durch
eine elektrisch wirksame Anordnung als auch durch eine mechanisch wirksame Anordnung
erfolgen. Die Feldstärke des Magnetfeldes kann auch zusätzlich von der Schwingungsfrequenz
der schwingenden Masse gesteuert werden.
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Es kann von Vorteil sein, das Verfahren gemäß der Erfindung in der
Weise durchzuführen, daß die Dämpfungskraft nur dann zum Einsatz gebracht wird,
wenn die maximale Auslenkung der schwingenden Masse einen bestimmten Mindest-Amplitudenwert
überschreitet, unterhalb von welchem die Masse frei schwingen gelassen wird. Fig.3
veranschaulicht ein Beispiel hierfür, wenn angenommen wird, daß die dort in der
Ruhelage dargestellte Masse M beim Ausschwingen nach oben erst nach einer gewissen
Anlaufstrecke die Spitze des Keils 32 mit den durch die Zugfeder 37 gegeneinander
gedrückten Rollen 33 und 34 zum Eingriff bringt, so daß die Masse --I in der näheren
Umgebung ihrer Ruhelage, d.h. bei kleiner Amplitude, frei schwingen kann.