DE2603688B2

DE2603688B2 - Anordnung zum Schwingungsausgleich

Info

Publication number: DE2603688B2
Application number: DE2603688A
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl.-Phys. 7033 Herrenberg-Affstaett Frosch; Walter 7031 Aidlingen Mannsdoerfer; Claus Ing.(Grad.) 7073 Lorch Scheuing
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1976-01-31
Filing date: 1976-01-31
Publication date: 1978-03-02
Also published as: JPS5294987A; DE2603688C3; DE2603688A1; US4101008A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schwingungsausgleich der Massenkräfce eines mittels eines Antriebes bewegten, schwingenden Feder-Masse-Hauptsystems mit Hilfe eines Feder-Masse-Hilfssystems.

In zahlreichen Maschinen, Geräten und Vorrichtungen mit schwingenden Massen sind Maßnahmen erforderlich, um die Übertragung der Schwingungen auf andere Teile der Maschine zu verhindern, zumindest aber in möglichst engen Grenzen zu halten. Bei periodischen Schwingungen kann man durch entsprechende Auslegung der Feder-Massesysteme mit möglichst weit voneinander entfernten Resonanzfrequenzen zwar verhindern, daß schwingungsfähige Massen oder Massensysteme mit der Eigenfrequenz der schwingenden Masse in Resonanz kommen, doch läßt sich auf diese Weise ein unerwünschtes Mitschwingen anderer Bauteile oder Baugruppen nicht verhindern; diese Methode ist außerdem bei Systemen mit nicht konstanten Resonanzfrequenzen wirkungslos.

Sehr verbreitet sind Maßnahmen zur Dämpfung von Schwingungen. Häufig ist aber eine Dämpfung eines schwingenden Gebildes nur sehr schwer erreichbar, oder sie ist überhaupt unerwünscht, wenn nämlich dadurch die Funktion des schwingenden Körpers beeinträchtigt werden würde. Man hat daher vielfach Maßnahmen getroffen, die darauf abzielen, die Übertragung von Schwingungen zwischen mechanisch miteinander gekoppelten Bauteilen zu dämpfen, etwa durch Zwischenschaltung von elastischen Elementen. Hierbei werden aber die Störkräfte, z. B. Stoß- oder Rüttelbewegungen eines benachbarten Maschinenteils, meist im wesentlichen nur in ihrer Charakteristik verändert, ohne daß der übertragene Energiebetrag nennenswert verringert werden kann.

Als wirksamstes Verfahren zur Verhinderung unerwünschter Übertragung von Schwingungskräften bewegter Massen hat sich die Schwingungstilgung erwiesen, auch als dynamische Absorption bezeichnet, bei der durch zusätzliche schwingungsfähige Massen mindestens eine teilweise Vernichtung der auf die angrenzenden Maschinenteile übertragenen Kräfte erzielt wird, prinzipiell aber auch eine vollständige Schwingungstilgung erreichbar ist. Die überwiegende Zahl der bekannten Anordnungen zur Schwingungstilgung betrifft frei schwingende Gebilde, deren Schwingungen allein von der Dimension des Schwingungsgebildes abhängig sind, wie z. B. Freileitungen, zu deren Schwingungstilgung in der DT-OS 20 56 164 eine Anordnung beschrieben ist. Es sind aber auch Schwingungstilger für erzwungene Schwingungen, also mittels eines durch eine fremde — periodische oder aperiodische — Antriebskraft bewegte schwingungsfähige Massen bekannt. Eine der bedeutsamsten Lösungen auf diesem Gebiet ist das sogenannte Taylor-Pendel, das zur Tilgung erzwungener Drehschwingungen an Motoren über den ganzen Drehzahlbereich wirksam ist. Hier handelt es sich um ein rotierendes System mit einem exzentrisch angekoppelten Fliehkraftpendel, wobei eine Ablenkung der Erregerwirkung vom eigentlichen schwingenden System auf das angekoppelte Pendel stattfindet. Die Nachteile dieser Lösung sind aber, daß eine zusätzliche schwingende Masse erforderlich isi und sich das Pendel nur für rotierende Massensysteme einsetzen läßt.

Es ist aber auch ein Schwingungstilger bekannt, der für linear schwingende Feder-Masse-Systeme Verwendung findet. Bei diesem sogenannten Frahm-Tilger (Den Hartog/Mesmer: Mechanische Schwingungen, 2. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg [1952], Seite 104) wird ein im Verhältnis zu dem schwingenden Maschinenteil kleines Schwingungssystem an das Hauptsystem angekoppelt, dessen Eigenfrequenz ^c/m so gewählt ist, daß sie der Frequenz der schwingenden Kraft bzw. der Erregerkraft gleich ist.

Auch diese Anordnung benötigt aber eine zusätzliche Schwingmasse, und sie hat darüber hinaus den Nachteil, daß eine Tilgung der Schwingungen nur in den Fällen erreichbar ist, wo die Frequenz der Erregerkraft im wesentlichen konstant ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der bei hohem Wirkungsgrad eine vollständige Tilgung der auf das Fundament wirkenden Massenkräfte eines schwingenden Systems erreichbar ist, ohne daß prinzipiell eine Zusatzmasse erforderlich ist. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß bei einer Anordnung der oben beschriebenen Ausführung der Antrieb selbst als Feder-Masse-Hilfssystem ausgebildet ist, welches in der Fortsetzung der Bewegungsbahn des Feder-Masse-Hauptsystems derart geführt ist, daß es mit gleicher Frequenz wie das Feder-Masse-Hauptsystem, jedoch gegenphasig, schwingt. Die Erfindung eignet sich insbesondere für solche Fälle, wo der schwingende Körper und der Antrieb gleiche oder annähernd gleiche

bo Masse aufweisen.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß sowohl bei linear schwingenden Systemen als auch bei erzwungenen Drehschwingungen eine vollständige Tilgung der auftretenden Schwingun-

h^ri gen erreicht werden kann, unabhängig davon, mit welcher Frequenz das schwingende Gebilde erregt wird. Stimmen die Massen des vorhandenen schwingenden Körners und des Antriebs nicht überein oder läßt sich

eine solche Übereinstimmung durch konstruktive Maßnahmen nicht erreichen, so kann zur Erzielung der erfindungsgemäß vollständigen Tilgung auch eine entsprechende Zusatzmasse am schwingenden Körper oder am Antrieb vorgesehen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein durch einen stationären elektromagnetischen Antrieb betriebenes Schwingungssystem ohne Schwingungstilgung, in prinzipieller Darstellung; ι ο

F i g. 2 zeigt ein oszillierendes Schwingungssystem mit Schwingungstilgung nach der Erfindung, in prinzipieller Darstellung;

F i g. 3 zeigt in schaubildlicher Darstellung eine konstruktiv ausgeführte Anordnung des in Fig.2 veranschaulichten Prinzips am Beispiel eines als Mikroskopobjektiv-Oszillator ausgebildeten Meßgerätes.

Gemäß F i g. 1 ist in einem Maschinenrahmen 10 ein Körper 12 von bestimmter Masse M durch Rollen 14 in den durch den Doppelpfeil 16 dargestellten Richtungen bewegbar geführt. Der Körper 12 ist mittels einer Feder 18 am Punkt 20 des Maschinenrahmens 10 befestigt. Am entgegengesetzten Ende des Körpers 12 ist ein als Permanentmagnet ausgebildetes Ankerstück 22 befestigt, das mit einem elektromagnetischen Antrieb zusammenwirkt, bestehend aus einer im Maschinenrahmen 10 an den Punkten 28a, 286 befestigten Spule 26 mit einem Joch 24.

Wird die Spule 26 periodisch erregt, so führt der Körper 12 eine Hin- und Herbewegung entsprechender Frequenzen aus, wobei über die Punkte 20 sowie 28a und 286 Schwingungsenergie auf den Maschinenrahmen 10 übertragen wird, mit der Folge, daß durch diese Störkräfte das gesamte System in Unruhe gerät. Dadurch können sowohl die von dem dargestellten Körper 12 ausgeübten Funktionen als auch der Funktionsablaur benachbarter, gleichfalls im Maschinenrahmen 10 gelagerter Baugruppen beeinträchtigt werden.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung ist der im Maschinenrahmen 30 geführte Körper 32 in der gleichen Weise wie in der Darstellung nach F i g. 1 durch Rollen 34 in den durch den Doppelpfeil 36 dargestellten Richtungen bewegbar geführt und mittels einer Feder 38 am Punkt 40 des Maschinenrahmens 30 befestigt. Desgleichen ist am entgegengesetzten Ende des Körpers 32 eir, als Permanentmagnet ausgebildetes Ankerstück 42 befestigt

Der dem Ankerstück 42 zugeordnete elektromagnet!- sehe Antrieb, bestehend aus der Spule 46 mit dem Joch 44, ist nicht, wie in dem Beispiel nach Fig. 1, starr im Maschinenrahmen 30 gelagert, sondern fn einem Antriebsrahmen 48 untergebracht, der ebenso wie der Körper 32 auf Rollen 50 geführt und mittels einer Feder 52 am Punkt 54 des Maschinenrahmens 30 angekoppelt ist.

Für die Dimensionierung der Elemente des in F i g. 2 dargestellten Systems ist zu beachten, daß die Federn 38 und 52 die gleiche Federcharakteristik aufweisen und ho daß die beiden bewegten Massen gleich sind, nämlich einerseits die durch den Körper 32 und das Ankerstück 42 gebildete erste (angetriebene) Masse Mk + M₃, und andererseits die durch die Spule 48, das Joch 44 und den Antriebsrahmen 48 gebildete (antreibende) Masse M~_r. ^ Um zwischen der Masse M* und M₃ und der Masse M₁-Gleichheit herzustellen, sind am Antriebsrahmen zwei Zusatzmassen M₁ angebracht, so daß bezüglich der Massengut:

Ist die Summe der Massen Mk und M_ä des Körpers 32 und des Ankerstücks 42 größer als die Masse M_r des Antriebs 44, 46 und 48, so kann grundsätzlich auch, sofern konstruktiv möglich, die Summe der Massen M_k und Ma entsprechend verringert werden. Eine dritte Voraussetzung für die Rückwirkungsfreiheit der Oszillationsbewegungen des dargestellten Systems ist, daß sich die beiden Schwingungsmassen mit ihren Massenschwerpunkten auf einer einzigen linearen Bahn bewegen.

Wird bei der Anordnung nach F i g. 2 durch periodische Erregung der Spule 46 der Antrieb eingeschaltet, so schwingen beide Massen, nämlich der Körper 32 mit dem Ankerstück 42 einerseits und das Joch 44, die Spule 46 und der Antriebsrahmen 48 andererseits, stets gegenläufig, und zwar mit gleicher Amplitude, da ihre Massen einander gleich sind. Die über die Punkte 40 und 54 auf den Maschinenrahmen 30 übertragenen Kräfte sind daher stets betragsgleich und einander entgegengerichtet. Wenn der Maschinenrahmen 30 zwischen den Punkten 40 und 54 hinreichend steif ist, bleibt er somit vollständig in Ruhe und überträgt keine Schwingungen nach außen.

Die in F i g. 2 für eine lineare Oszillationsbewegung mit vollständiger Schwingungstilgung dargestellte Anordnung kann in entsprechender Weise auch für eine oszillierende Rotationsbewegung eines Körpers ausgestaltet werden, indem nicht nur der angetriebene, sondern auch der antreibende Körper als schwingungsfähiges Gebilde gelagert wird. Voraussetzung für eine vollständige Schwingungstilgung ist hier gleichfalls Identität der Federelemente und der Trägheitsmomente. Damit auch die Summe der auf die Achse bzw. Welle ausgeübten dynamischen Kräfte stets gleich Null ist, muß dabei darüber hinaus beachtet werden, daß jede der Drehmassen bezüglich der Drehachse für sich statisch und dynamisch ausgewuchtet ist.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist das in Fig.2 veranschaulichte Prinzip verwirklicht. Bei dem als Mikroskopobjektivoszillator ausgebildeten Meßgerät muß ein Linsensystem längs seiner optischen Achse mit hoher Frequenz linear auf und ab bewegt werden. Hierzu ist in einem Gehäuse 60, das mittels eines Flansches 62 an der Unterseite einer (nicht dargestellten) Meßeinrichtung befestigt ist, mit Hilfe von Membranfedern 64 und 66 ein Jochträger 68 geführt, an dessen Oberseite sich ein Joch 70 mit einem Permanentmagneten 71 befindet. In den Jochträger 68 ist von unten ein Objektivträgerring 72 eingeschraubt, in welchem Linsen 74 und 76 geführt sind. Der Jochträger 68 und der Objektivträgerring 72 sind infolge der federnden Lagerung in der durch den Strahlengang 78 definierten optischen Achse der Linsen 74 und 76 beweglich gelagert.

Im oberen Teil des Gehäuses 60 ist ein Spulenträger 80 mittels Membranfedern 82 und 84 gelagert, und am unteren Ende des Spulenträgers 80 befindet sich ein Spulenring 86 mit einer Spule 88, die über eine Leitung 90 an einen Wechselstromgenerator angeschlossen ist.

hur eine vollständige Schwingungstilgung beim Betrieb der dargestellten Anordnung sind die Membranfedern 64 und 66 sowie 82 und 84 gleich ausgeführt, und die mittels der Membranfedern einzeln axial beweglich gelagerten Körper, nämlich der Jochträger 68 mit dem Joch 70, dem Permanentmagneten 71, dem

Objektivträgerring 72 und den Linsen 74 und 76 einerseits und der Spulenträger 80 mit dem Spulenring 86 und der Spule 88 andererseits weisen die gleiche Masse auf.

Bei der Inbetriebnahme der in Fig. 3 dargestellten Anordnung beginnen die beiden an sich unabhängig voneinander gelagerten Massensysteme unter der Wirkung des elektrischen Feldes zwischen Spule 88 und Permanentmagnet 71 zu schwingen, und zwar jeweils mit gleicher Frequenz und gegenphasig. Di über die Membranfedern Schwingungsenergi Gehäuse 60 übertragen, jedoch sind die ve Massen herrührenden Kräfte jeweils betragsg einander entgegengerichtet. Das Gehäuse
daher vollständig in Ruhe, so daß zu dem ang« nen Meßgerät oder anderen benachbarten Ge keine Störkräfte gelangen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Schwingungsausgleich der Massenkräfte eines mittels eines Antriebes bewegten, schwingenden Feder-Masse-Hauptsystems mit Hilfe eines Feder-Masse-Hilfssystems, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb selbst als Feder-Masse-Hilfssystem (44—52; 80,86,88) ausgebildet ist, welches in der Fortsetzung der Bewegungsbahn des Feder-Masse-Hauptsystems (32, 34, 38; 68—76) derart geführt ist, daß es mit gleicher Frequenz wie das Feder-Masse-Hauptsystem, jedoch gegenphasig schwingt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse und die Federkonstante des Hilfssystems gleich der Masse und der Federkonstante des Hauptsystems sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptsystem oder das Hilfssystem zur Herstellung der Übereinstimmung der Massen mit einer Zusatzmasse (M₂) oder mehreren Zusatzmassen versehen ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb als Elektromagnet (42—46; 70, 71, 88) ausgebildet ist und die beiden Systeme durch das magnetische Feld des Elektromagneten miteinander gekoppelt sind.