DE2503589A1 - Vorrichtung und verfahren zur unterdrueckung der vibration rotierender scheiben - Google Patents

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Unterdrückung der Vibration rotierender Scheiben

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verhinderung der Vibration einer rotierenden Maschinerie, insbesondere zur Vermeidung einer in zur Rotationsachse von Rädern, Rotoren und anderen scheibenähnlichen Elementen paralleler Richtung ausgeprägten Vibration.

Bisher werden die durch Vibration von Maschinenteilen auftretenden Probleme manchmal durch Bekämpfung bzw. Dämpfung oder Abschwächung der Vibrationsenergie vermindert. Hierbei wird das vibrierende Teil gewöhnlich mit einem Material oder einer Einrichtung verbunden, womit die Vibrationsenergie unterdrückt bzw. vernichtet wird, indem sie in Reibungswärme umgewandelt oder indem eine Flüssigkeitsströmung (fluid flow) erzeugt wird.

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Demgegenüber hat die Erfindung zum Ziel, Vibration in rotierenden Körpern oder Scheiben selbst am Ort ihrer Entstehung zu verhindern oder zumindest zu unterdrücken. Bei Gebrauch hängt der Erfindungsgegenstand nicht von Vibrationsdämpfungs- oder Vibrationsabsorbierungsvorrichtungen ab, obwohl derartige Vorrichtungen in der mit den die Erfindung verkörpernden Scheiben oder Rädern verbundenen Konstruktionen verwendet werden können.

Es ist daher Ziel und Zweck der Erfindung, eine Konstruktion und ein Verfahren zur Verhinderung der Vibration einer Scheibe in Abhängigkeit von den Kräften zu schaffen, die auf derartige Scheiben wirken können.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ergibt sich aus den in der Anlage beigefügten Ansprüchen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus der in der Anlage beigefügten Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1a bis 1e verschiedene, in Scheiben auftretende Vibrationstypen in schematischer Darstellung, wobei gemäß der Erfindung die Vibrationen verhindert oder zumindest wesentlich unterdrückt sind;

Fig. 2 und 3 eine Ausführungsform der Erfindung und Fig. 4 bis 11 weitere Ausführungsformen der Erfindung.

Der in nachfolgender Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Begriff "Scheibe" ist so zu verstehen, daß damit um Achsen herum drehbare Körper gemeint sind, beispielsweise Fahrzeugräder, Riemenscheiben, Rotoren, Schwungräder und Zahnräder, bei denen der Körperdurchmesser die. axiale Länge oder

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Breite des Körpers übersteigt. Die Scheibe oder der Körper gemäß der Erfindung kann sich in einer zur Achse senkrechten Ebene diametral erstrecken oder eine konische Form aufweisen, wie etwa eine Glocke oder eine Zimbel. Ein jeder derartiger Körper innerhalb des Rahmens der Erfindung ist charakteristischen Vibrationen ausgesetzt, die mit "platten- bzw. scheibenartigen Vibrationen" ("plate mode vibrations") bezeichnet, wobei beispielsweise in von zwei oder mehreren Diametrallinien in der Scheibe bestimmten alternierenden RadialSektoren Teile der Scheibe oder Platte in entgegengesetzten axialen Richtungen zyklisch verschoben sind. Die so vibrierenden Teile der Scheibensektoren sind als "Anti-Knoten"· ("anti-nodes") bekannt, während die dazwischen liegenden Diametrallinien, die sich im wesentlichen nicht verschieben, d.h. ortsfest sind, mit "Knoten" bezeichnet werden. Derartige Plattenschwindungen (plate modes) werden auch als Zwei-, Drei- oder Vier-Durchmesser-Schwingungstypen bezeichnet. Ein weiterer Typ einer Plattenschwingungsvibration wird als Glocken- oder Zimbelschwingung bezeichnet, in der zwei oder mehrere ringförmige Teile der Scheibe axial oszillierende Anti-Knoten bilden, die durch einen oder mehrere Knoten voneinander getrennt sind, die im wesentlichen eine zur Achse der Scheibe kreisförmige, konzentrische Null-Schwingung aufweisen.

Nachfolgend werden die Fig. 1a bis 1e der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1a stellt eine Scheibe dar, die in einer Plattenschwingung vibriert, welche als Zwei-Durchmesser-Plattenschwingungstyp bezeichnet wird. Man stellt fest, daß die vier Knoten 1, 2, 3 und 4, die sich im wesentlichen nicht in axialer Richtung, d.h. in einer zur Ebene der Figur senkrechten Richtung bewegen, zwei Durchmesser 6,8-definieren, die sich an der Achse 10 zueinander rechtwinklig kreuzen. Die zwischen den Durchmessern oder Knoten angeordneten vier Sek-

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toren 11, 12, 13 und 14 bilden oder enthalten zumindest die vibrierenden Anti-Knoten 21, 22, 23 und 24, die durch die getüpfelten Bereiche gekennzeichnet sind. Die AntiKnoten 21, 23 in einem Falle bewegen sich zum Betrachter hin, während die Anti-Knoten 22, 24 sich gleichzeitig vom Betrachter mit Resonanzfrequenz wegbewegen. Dieser Vibrationstyp wird als Zwei-Durchmesser-Schwingung bezeichnet, da die Durchmesser 6,8, die die Knoten oder Radien der Null-Verschiebung enthalten, zueinander rechtwinklig angeordnet sind und dazwischen Sektoren bilden, die einen Winkel von 90° einschließen. Derartige zyklische vibrierende Schwingungen von Teilen der Scheibe verursachen nicht nur Lärm oder Schallentwicklüng, die extrem unerwünscht hoch werden können, sondern können auch auf die Scheibe zerstörende Kräfte ausüben, und damit auch ein Versagen der Vorrichtung nach sich ziehen, in der die besagte Scheibe angeordnet ist. Solche zyklischen Oszllllationen oder Vibrationen können auch Kraftveränderungen auf andere Teile der Vorrichtung oder auf das Werkstück in der Vorrichtung mit nachteiligen Folgen übertragen.

Die in Fig. 1b dargestellte Vibrationsschwingung oder Charakteristik wird als Glocken- oder Zimbelschwingung bezeichnet. Bei dieser Schwingung bildet der Knoten oder der Teil der Platte, der im wesentlichen frei von Verschiebungen ist, einen um die Achse 31 der Scheibe konzentrischen, kreisförmigen Ring 30. Der kreisförmige Innenteil 32 bildet einen AntiKnoten der Vibrationscharakteristik, der beispielsweise vom Betrachter weg verschoben ist, während gleichzeitig der äußere Ringteil 33 zum Betrachter hin verschoben ist„ Die entsprechenden Bewegungen der Anti-Knoten rückwärts und vorwärts in Richtungen, die im wesentlichen zur Rotationsachse parallel verlaufen, treten in bekannter Weise bei der oder einer der natürlichen Frequenzen der Scheibe auf. Die auf

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die Scheibe wirkenden zyklischen Kräfte rufen bei Auftreten innerhalb des Bereiches derartiger natürlicher Frequenzen oder Vielfacher hiervon in der Scheibe Vibrationen hervor mit einer Schwingung oder Charakteristik, die der Frequenz der die Vibration hervorrufenden Kräfte, welche auf die Scheibe wirken, entspricht.

Die in den Fig. 1c, 1d und 1e dargestellten Scheiben zeigen Plattenschwingungsbilder, die bei höheren Frequenzen auftreten. In Fig. 1c ist beispielsweise eine Drei-Durchmesser-Schwingung dargestellt, die entlang der Durchmesser 40, 41 und 42 angeordnete Knoten aufweist, während die vibrierenden Anti-Knoten 43, 44, 45, 46, 47 und 48 in Sektoren angeordnet sind, die von den Knotendurchmessern um die Achse 57 herum gleichmäßig angeordnet sind. Die Anti-Knoten 43, 45 und 47 oszillieren in einem Moment vom Betrachter weg, während die Anti-Knoten 44, 46 und 48 sich gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung parallel zur Achse zum Betrachter hin bewegen, und zwar in Abhängigkeit von den höheren Frequenzen der auf die Scheibe wirkenden Kraftveränderungen. Eine Vier-Durchmesser-Schwingung ist in Fig. 1d dargestellti während eine Fünf-Durchmesser-Schwingung in Fig. 1e abgebildet ist.

Es hat sich bei dem Erfindungsgegenstand gezeigt, daß alle diese Vibrationsschwingungen im wesentlichen unterdrückt und verhindert werden können, indem die Scheibe mit einer Vielzahl von Vibrationsunterdrückenden, an einer rotierenden Scheibe befestigten Elementen gestützt wird, wohingegen sie ohne derartige Elemente den oben erläuterten Vibrationen ausgesetzt wäre. Derartige Vibrationsunterdrückende Elemente erstrecken sich vom Umfang der Scheibe aus derart nach innen, daß die Elemente um die Rotationsachse herum mit ungleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise ist jedes Vibrationsunterdrückende Element gebildet

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von einer Leiste, die bedeutend steifer ausgebildet ist als die Scheibe. Jede Leiste muß steif genug sein, um die Bildung eines künstlichen Knotens zu erzwingen, der aufgrund des ungleichen Winkelabstandes von der nächsten Leiste nicht mit einem realen Knoten koinzident sein kann. Darüberhinaus unterdrücken oder verhindern die mit ungleichem Abstand angeordneten Leisten, wie die Vibrationsunterdrückenden Elemente, eine Abschweifung oder eine axiale Bewegung der Antiknoten, die bei Fehlen derartiger Elemente in gleichmäßigem Winkelabstand angeordneten Intervallen auftreten würden, d.h. in achssymmetrischen Schwingungsbildern. Die Elemente oder Leisten sind in einem derartigen Winkel um die Achse herum angeordnet, daß der von der Leiste hervorgerufene künstliche Knoten die Bildung anderer, bereits achssymmetrischer Schwingungsbilder verhindert und so wirkt, daß jede Verschiebung der Scheibe in Richtung der Achse in Abhängigkeite von der Frequenz (forcing frequency) verhindert oder zumindest sehr wesentlich unterdrückt wird. Somit wird die natürliche Frequenz der Scheibe erhöht und kann über jede Kraftfrequenz hinaus erhöht werden, die bei Betrieb der Scheibe wahrscheinlich zu erwarten ist. .Es ist festzustellen, daß der ungleiche Winkelabstand zwischen den Elementenpaaren das Wellenbild der Knoten - Anti-Knoten um die Scheibenachse herum sowie radial zur Scheibenachse (wie in Fig. 1b) unterbricht und die Oszillation in einem Anti-Knoten dagegen schützt, daß sie zur nächstliegenden Anti-Knoten-Position übertragen wird, so daß ein Resonanzzustand nicht auftreten kann.

Es ist üblich, eine koaxial an einer Nabe befestigte Scheibe vorzusehen» Um die oben diskutierte Vibration zu verhindern oder zu unterbinden, sieht die Erfindung weiterhin vor, das radial innere Ende jeder der Elemente fest an und Bnt-

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lang der axialen Länge einer derartigen Nabe starr zu befestigen. Jede Leiste bildet dabei einen Ausleger, der an der Nabe fest angebracht und sicher an der Scheibe befestigt ist, um sich vom Scheibenumfang aus nach innen zu erstrecken.

Man stellt ferner fest, daß die Leisten bei normaler Prüfung des Rotationsausgleichs in gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind, so daß das Massenzentrum jedes Leistenpaares in einer gemeinsamen, die Rotorachse enthaltenden Ebene und radial mit gleichen Abständen von dieser Achse angeordnet ist. Wenigstens zwei der auf diese ^eise angeordneten Leistenpaare bilden zwischen sich zwei Winkel, die ungleich sein müssen. Die beiden sich diametral gegenüberliegenden Leistenr paare dürfen nicht auf Durchmessern angeordnet sein, die zueinander einen rechten Winkel bilden. Bei Verwendung von drei oder mehreren Leistenpaaren unterscheidet sich der Winkel jedes ausgebildeten Sektors um wenigstens 5° von den Winkeln der beiden benachbarten Sektoren.

In gleicher Weise ist es üblich, eine Scheibe mit einem Rand zu versehen, dessen axiale Dicke größer ist,als die axiale Dicke der Scheibe. Bei einer-derartigen Scheibe gemäß der Erfindung ist es insbesondere vorteilhaft, das radial äußere Ende jedes Vibrationsunterdrückenden Elements oder jeder Leiste an und entlang einer axialen Länge des Randes sowie an und entlang einer axialen Länge der Nabe in der in Fig. dargestellten Weise zu befestigen.

Es wird im Rahmen der Erfindung erwogen, die Scheibe und die Vibrationsunterdrückenden Elemente einstückig (integrally) auszubilden, wie etwa durch Schmieden, Gießen sowie durch eine Schweißkonstruktion oder durch irgendein anderes geeignetes äquivalentes Herstellungsverfahren. Es ist ferner beabsichtigt, daß bei einer derartigen Scheibe die Nabe

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und/oder der Rand eingeschlossen oder weggelassen sein kann. Das Material, aus dem eine derartige Scheibe hergestellt ist, kann aus Metall oder aus anderen üblicherweise verwendeten Materialien bestehen«

Gemäß den Fig. 2 und 3 der Zeichnung weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine koaxial um eine Achse 61 herum drehbar angeordnete Scheibe 60 auf, an der mehrere vibrationsunterdrückende Elemente befestigt sind, deren jedes von einer steifen Leiste 62 gebildet ist, deren Steifheit wesentlich größer ist, als die Steifheit der Scheibe 60 selbst. Die Elemente oder Leisten 62 sind paarweise derart angeordnet, daß die entsprechenden Schwerpunkte 63 von gegenüberliegenden Elementen in einer die Achse enthaltenden Ebene 64 angeordnet sind und von der Achse gleichen Abstand aufweisen. Die Vibrationsunterdrückenden Elemente oder Leisten 62 eines zweiten Paares sind in gleicher Weise derart angeordnet, daß ihre Schwerpunkte 65 in einer zweiten, die Achse enthaltenden Ebene 66 liegen, die so angeordnet ist, daß sie mit der ersten Ebene 64 zwei ungleiche Winkel A und B bilden,, Zusätzliche Leisten können in gleicher Weise in gegenüberliegend angeordneten Paaren angeordnet werden, wie in Fig. dargestellt ist. Hierbei ist der Winkel A größer ausgebildet, als der Winkel B, der wiederum größer ist als der Winkel C, und zwar jeweils um 10°. Die entsprechenden Winkel zwischen der .ein Paar enthaltenden Ebene und der das nächstbenachbarte Paar enthaltenden Ebene darf niemals gleich sein.

Die Fig. 2 bis 11 zeigen Konstruktionen gemäß der Erfindung, von denen keine als allein bevorzugte Ausführungsform angesehen werden kann, aus denen jedoch in Abhängigkeit von der besonderen Aufgabe, für die die Scheibe verwendet werden soll, die bevorzugte Ausführungsform ausgewählt werden kann. Man stellt fest, daß in jeder Figur das Werkstück eine zen-

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trale Scheibe 60 umfaßt. Es ist allgemeine Praxis, eine solche Scheibe an einer zentralen Nabe 70 koaxial zu befestigen. Es ist ebenso allgemeine Praxis, für eine Scheibe einen mit dieser gewöhnlich einstückig ausgebildeten Rand 75 vorzusehen, dessen axiale Länge größer ist, als die axiale Dicke der Scheibe. Ein solcher Rand 75 kann gemäß Fig. 5 symmetrisch oder gemäß Fig. 3 axial versetzt angeordnet sein. Das gleiche trifft zu in bezug auf die Anordnung der Nabe und der Scheibe. Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Konstruktion, in der die Scheibe 70 nicht in einer zur Achse senkrechten Ebene angeordnet ist, sondern vielmehr die Form eines Konus aufweist, der mit der Naben- und Randachse eine gemeinsame Achse besitzt.

Die Vibrationsunterdrückenden Leisten 62 können, wie in den Fig. 3, 7 und 9 dargestellt,ist, an nur einer Seite der Scheibe angebracht oder - gemäß Fig. 5 - auch beidseitig an der Scheibe angeordnet werden. In allen Fällen sind derartige Vibrationsunterdrückenden Leisten fest an der Scheibe befestigt. In den Fig. 2 bis 11 ist jede Leiste 62 fest an jedem seiner radial inneren Enden entlang einer axialen Länge der Außenfläche der Nabe befestigt. Gemäß den Fig. 2 bis ist jede Leiste am axial äußeren Ende in ähnlicher Weise entlang einer axialen Länge der inneren Umfangsfläche des Scheibenrandes befestigt. Wie vorstehend erwähnt, sind die Leisten an der Scheibe in einer sich ausgleichenden Weise in sich gegenüberliegenden Paaren angeordnet, wobei jedes der Leistenpaare sich vom Außenumfang der Scheibe aus parallel nach innen erstreckt oder zum entsprechenden, ihre Schwerpunkte enthaltenden Durchmesser etwa so, daß die Scheibe und die Leisten bei Rotation entsprechend ausgeglichen sind.

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Vorzugsweise ist die Scheibe selbst frei von Löchern oder anderen, üblicherweise verwendeten derartigen Öffnungen, um das Gewicht der Scheibe zu reduzieren. Wenn derartige Löcher vorgesehen werden müssen, werden sie vorzugsweise ausreichend klein ausgebildet, so daß sie nicht die charakteristischen Knotenerscheinungen verändern.

Gemäß den Fig. 10 und 11 kann eine weitere Ausführungsform der Erfindung wahlweise auch eine zweite Scheibe 81 aufweisen, die zur ersten Scheibe 60 koaxial befestigt und gegenüber dieser axial außerhalb angeordnet ist. Die an den vibrationsunterdrückenden Elementen 62 fest angebrachte zweite Scheibe oder Mantelplatte 81 kann aus anderen Gründen, beispielsweise aus ästhetischen Gründen, hinzugefügt werden. Wie bei der ersten Scheibe 60 werden bei der zweiten Scheibe 81 Vibrationen in den Plattenschwingungen dadurch verhindert, daß Vibrationsunterdrückende Elemente vorgesehen und in zueinander ungleichem Winkelabstand angeordnet sind, und zwar in der oben beschriebenen Weise.

Vorstehend sind nur einige repräsentative Ausführungsformen der Erfindung zur Erläuterung derselben beschrieben. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch andere Lösungen der gestellten Aufgabe möglich, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde.

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Unterdrückung der Vibration einer um eine Achse drehenden Scheibe, gekennzeichnet durch Aussteifen der Scheibe durch mehrere an der Scheibe befestigte Vibrationsunterdrückende Elemente, welche sich vom Umfang der Scheibe aus nach innen erstrecken und um die Achse herum in ungleichem Winkelabständ . zueinander verteilt angeordnet sind.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe koaxial an einer Nabe befestigt wird, deren axiale Länge größer ist, als die Dicke der . Scheibe zur Drehung mit dieser um die Achse, und daß das radial innere Ende jedes vibrationsunterdrückenden Elements fest an und entlang einer axialen Länge der Nabe befestigt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsunterdrückenden Elemente in sich diametral gegenüberliegenden Paaren angeordnet werden«
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe koaxial an einem Rand befestigt wird, dessen axiale Dicke größer ist, als die Scheibe, und daß die radial äußeren Enden der Elemente an und entlang einer axialen Länge des Randes befestigt werden.
5. 5. Um eine Achse herum koaxial drehbare Scheibe, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von paarweise angeordneten, fest an der Scheibe (60) in sich diametral

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   ausgleichender Ordnung angebrachten vibrationsunterdrückenden Elementen (62), deren jedes sich von der Peripherie der Scheibe (60) aus radial nach innen erstreckt, wobei jedes der Elementenpaare mit einem anderen Elementenpaar zwischen sich wenigstens zwei ungleiche Winkelabstände bilden.
6. 6. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Elemente (62) von einer Leiste gebildet werden, deren Steifheit größer ist, als die der Scheibe (6o).
7. 7. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Elemente (62) mit der Scheibe (60) einstückig ausgebildet sind.
8. 8. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Scheibe (60) mit einer einzigen zentralen koaxialen Öffnung versehen und frei von anderen sie durchsetzenden Öffnungen ist.
9. 9. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Scheibe von einer mit dieser einstückig ausgebildeten zentralen koaxialen Nabe (70) durchsetzt ist, deren axiale Länge größer ist, als die Dicke der Scheibe (60), wobei das radial innere Ende jedes der Elemente (62) fest an und entlang einer axialen Länge der Nabe (70) befestigt ist.
10. 10. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Scheibe (60) ein integraler bzw. einstückiger peripherer Rand (75) angebracht ist, dessen axiale Dicke größer ist, als die der Scheibe (60), wobei die radial äußeren Enden jedes der Elemente (62) fest an und entlang einer axialen Länge des Randes

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    (75) befestigt ist,
11. 11. Scheibe nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine mit der ersten Scheibe(6O) koaxiale, von dieser mit axialem Abstand angeordnete zweite Scheibe (81), die an jedem der Elemente (62) fest angebracht ist.
12. 12. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet.

    daß der radiale Winkel zwischen einem-»ersten Elementenpaar sich vom radialen Winkel zwischen Umfang verteilten benachbarten Paaren unterscheidet.

    den nächsten, am Wenigstens

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