DE2603688C3 - Anordnung zum Schwingungsausgleich - Google Patents
Anordnung zum SchwingungsausgleichInfo
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- F16F6/00—Magnetic springs; Fluid magnetic springs, i.e. magnetic spring combined with a fluid
Description
Die Erfindung betrifft eine Anor.'uung zum Schwingungsausgleich
der Massenkräfte eines mittels eines Antriebes bewegten, schwingender-, 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 Schwingunsjstilgung
betrifft frei schwingende Gebilde, deren Schwingungen allein von der Dimension des Schwingungsgebildes
abhängig sind, wie z. B. Freileitungen, zu deren Schwingungstilgung in der DE-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
ist 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 abei 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 oc'er annähernd gleiche
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> gen erreicht werden kann, unabhängig davon, mit
welcher Frequenz das schwingende Gebilde erregt wird. Stimmen die Massen des vorhandenen schwingenden
Körpers 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 Schwingungsijlgung, in prinzipieller Darstellung;
Fig.2 zeigt ein oszillierendes Schwingungssystem
mit Schwingungstilgung nach der Erfindung, in prinzipieller Darstellung;
Fig.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 befes''gt. 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, 286befestigten 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
Funktionsablauf 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 p. I 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 ein als Permanentmagnet ausgebildetes
Ankerstück 42 befestigt.
Der dem Ankerstück 42 zugeordnete elektromagnetische Antrieb, bestehend aui der Spule 46 mit dem Joch
44, ist nicht, wie in dem Beispiel nach Fig. 1, starr im
Maschinenrahmen 30 gelagert, sondern in 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 daß die beiden bewegten Massen gleich sind, nämlich
einerseits die durch den Körper 32 und das Ankerstück 42 gebildete erste (angetriebene) Masse Mt+M11, und
andererseits die durch die Spule 46, das Joch 44 und den Antriebsrahmen 48 gebildete (antreibende) Masse Mr.
Um zwischen der Masse Mk und M3 und der Masse Mr
Gleichheit herzustellen, sind am Antriebsrahmen zwei Zusatzmassen M, angebracht, so daß bezüglich der
Massengut;
r+2
Ist die Summe der Massen Mt und Mi des Körpers 32
und des Ankerstücks 42 größer als die Masse M, des Antriebs 44, 46 und 48, so kann grundsätzlich auch,
sofern konstruktiv möglich, die Summe der Massen Mt 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 Fig.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 bewagsgleich 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.
Wird bei der Anordnung nach Fig.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 bewagsgleich 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 Fig. 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 sieh statisch und dynamisch ausgewuchtet ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist das in
Fig. ^ 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 sines
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
federnuen 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
bii unteren Ende des Spulenträgers 80 befindet sich ein
Spulenring 86 mit einer Spule 88, die über eine Leitung 90 an einen Wechselstromgenerator angeschlossen ist.
Für eine vollständige Schwingungstil'juiig beim
Betrieb der dargestellten Anordnung sind die Mem-
(Γ> branfedern 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. Dabei wird
über die Menibranfedern .Schwingungsenergie auf das Gehäuse 60 übertragen, jedoch sind die von beiden
Massen herrührenden Kräfte jeweils betragsgleieh und
ο einander entgegengerichtet. Das Gehäuse 60 bleibt daher vollständig in Ruhe, so daß zu dem angeschlossenen
Meßgerät oder anderen benachbarten Geräteteilcn keine Störkräfie gelangen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:I, Anordnung zum Sehwingungsausgleieh 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.Z 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 (M?) 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 dai magnetische Feld des Elektromagneten miteinander gekoppelt sind.
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