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Schwingungstilger
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Scilwingungstilger, der sich
selbsttätig auf die Erregerfrequenz einer Drchschwingungen unterworfenen Welle oder
dgl. abstimmt, im wesentliegen bcstehend aus einer um die L)rehsc}niingungsachse
der Welle drehbar gelagerten Tilgermasse, die unter Zwischenschaltung eines oder
mehrerer Federelemente mit der Welle verbunden ist, deren Drehschwingungen unterbunden
werden soll.
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Gemäß der D'l'-AS 18 17 443, Spalte 2, 4. Absatz ist es zur Abstimmung
eines Vibrationsabsorbers bereits vorgeschlagen worden, gleichzeitig die effelctive
masse und die Federkonstante des Absorbers zu verändern. IIierbei werden im Bedarfsfall
zusätzliche bewegliche lassen verwendet und es sind weiterhin zusätzliche Federn
erforderlich, um die zusätzlichen zulassen mit der jiauptmasse des Vibrationsabsorbers
zu verbinden. Dic Methode ist umständlich und kann gegebenenfalls zu einem ganz
erheblichen Gesamtgewicht des Schwingungstilgers führen.
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ts sind ferner Schwingungstilger bekannt (vgl. beispielsweise lJ'i'-Gm
76 07 516 oder DT-OS 25 34 684), bei denen der Tilger insgesamt mehrere Massen aufweist,
wobei entweder gleichen Nassen unterschiedlich weiche Fcderelemente (DT-Gm) oder
gleichen Federelementen unterschiedlich große Massen (DT-OS) zugeordnet sind. Diese
Schwingungstilger stellen einen Kompcmiß dar, den sie können Schwingungen nur in
ganz bestimmten
Bereichen, wenn auch in mchrercn bereichen, tilgen.
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Schließlich ist auch bereits aus der t)'l'-OS 22 60 079 ein sich selbsttätig
abstimmender Drehscliwingung stilger bekannt, b< i dem unter Verwendung einer
wie ein Kreisel wirkenden ochasungmasse, die kardanisch aufgehängt is-t, das um
die Scharingungsachse wirksame Massenträgheitsnoment der Tilgermasse verändert wird.
Die Verwendung eines Kreisel kann auf verschiedenc; Einsatzgebieten problematisch
sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sich selbsttätig abstimmenden
dynamischen Schwingungstilger der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der bei erträglichem
Bauaufwand möglichst universell einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Schwingungstilger der vorausgesetzten
Bauart dadurch gelöst, daß. eine Einrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit
von der Phasenlage eines mit der Welle verbundenen Hilfsschwingers in Bezug auf
die Phasenlage der Welle die Härte der zwischen zelle und Tilgermasse wirksamen
Federung bis zum Eintritt der Resonanz des Tilgers verstellt. Die Veränderung der
zwischen Weile und Tilgermasse wirksamen Federung läßt sich, wie im folgenden noch
näher erläutert werden wird, mit vergleichsweise einfacheren Mitteln erreichen,
als beispielsweise eine Veränderung der wirksamen Tilgermassen. Ohne erheblichcs
Mehrgewicht läßt sich dank der obenerwähnten Maßnahmen ein Schwingungstilger schaffen,
der über einen großen Brregerfrequenzbereich verhältnismaßig verlustarm wirksam
ist.
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Die Erfindung und weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung,
die Gegenstand von Unteransprüchen sind, sind im folgenden anhand mehrerer in der
Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einem Schnitt nach der Linie I - I in Fig. 2;
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II - II in Fig. 1; Fig. 3 eine Ansicht in fdclitung
des Pfeiles III in Fig. 2; Fig. 4 eine etwa der Fig;. 3 entsprechende Schema-Skizze
nit zwei verschiedenen Lagen der Federelemente; Fig. 5 bis 8 den Fig. 1 bis 4 enüspiechende
Darstellungen einer zweiten Ausführungsform; Fig. 9 bis 11 den Fig. 1 bis 3 entsprechende
Darstellungen einer dritten Ausführungsform und Fig. 12 und 13 den Fig. 1 und 2
entsprechende Darstellungen eines vierten Ausführungsbeispiels.
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Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Schwingungstilger weist eine
urn die Drehachse 1 der Welle 2 drehbar gelagerte Tilgermasse 3 auf, die unter Zwischenschaltung
zweier Feder elemente 4 mit der Welle 2, deren Drechschwingungen unter bundeIl werden
sollen, in Verbindungs@@. Die Verbindung zwischen der durch die Federelemente 4
gebildeten Federung und der Welle 2 erfolgt, wie nachstehend beschrieben wird, über
eine Einrichtung, die in Abhängigkeit von der Phasenlage eines mit der Welle 2 verbundenen
IIilfsschwingers 5 in Bezug auf die Phasenlage der Welle, die härte der zwischen
Welle 2und Tilgermasse 3 wirksamen Federung bis zum Lintritt der Resonanz des Tilgers
verstärkt.
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Die Einrichtung zum Verstellen der Federung umfaßt bei dem in den
Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine mit der Welle 2 drchfest verbundene
Bremse 6, auf die der
Hilfsschwinger 9 so einwirkt, daß ein um
die Wellenachse 1 drehbares Stellglied 7 für die Veränderungen der Federwirkung
durch solange in den beiden Schwingungsrichtungen uiigleiche Bremswirkung der Bremse
6 soweit gegenüber der Welle 2 verdreht wird, bis Resonanz eintritt. Das 3tellglied
7 wird von einer auf der zelle 2 drehbar gelagerten Federstütze 8 gebildet. Die
Federstütze 8 trägt zwei jeweils um eine zur Wellenachse 2 parallele Achse 9 drehbare
zylindrische, an sich bekannte Gummielemente 10, die eine in Abhängigkeit von ihrcr
Drehlage veränderliche radiale F derrate haben. Die Gummiclemente 10 sind mit nierenförmigen
Ansnehmungen 11 versehen und haben in zueinander senkrechten radialen Richtungen
stark unterschiedliche Federraten und in dazu schrägen Richtungen Federraten, die
dazwischen liegen.
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Die Gummielemente greifen in zwei Ausnehmungen der Tilgermasse 3 mit
zwei zueinander parallelen Stützwänden 11 ein, deren gegenseitiger Abstand dem Durchmesser
der runden Gummielemente entspricht. bei Verdrehung der Federstütze 8 relativ zur
Welle 2 erfolgt zwangläufig eine Verdrehung der Gummielemente 10. Hierzu ist Jedes
Gummielcment 10 mit einem Kurbelarm 12 drehfest verbunden, der über einen Lenker
13 mit einer auf der Welle 2 fest angeordneten IIaltcplatte 14 oder dgl. zusammenwirkt.
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Die bereits erwähnte Bremse 6 besteht aus einer längsgeschlitzten
Büchse 15, die unter Vorspannung einen zylindrischen Fortsatz 16 der Federstütze
8 umgreift. Die Büchse 15 is-t auf der einen Seite des Längsschlitzes 17 mit einer
auf der tZelle 2 befestigten Habe 18 verbunden, während auf der anderen Scitc des
Schlitzes 17 der aus einer Blattfeder 19 und einer Hasse 20 bestehende Hilfsschwinger
5 befestigt ist. Die Blattfeder 19 ist um zur Büchsenachse parallele Achsen biegsam.
Zwischen der Welle 2 und dem zylindrischen Fortsatz 16 ist, ebenso wie zwischen
diesem Fortsatz und
Tilgermasse 3, jeweils eine dünnwandige Lagerbuchse
21 bzw. 22 vorgesehen.
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Die Eigenfrequenz des Hilfsschwingers 5 wird zweckmäßig so gewählt,
daß sie außcrIeib des zu erwartenden Lrregerfrequenzberciclis der Welle - vorzugsweise
über diesem Frequenzbereich - liegt. Der Hilfsschwinger 5 ist demnach in jedem Fall
unterkritisch abgestimmt. Schwingt die Welle 2, so schwingt demnach auch der Itilfsschwinger
5, da er unterkritisch abgestimmt ist, in glcicller Phase wie die Welle 2.
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Aus der nachfolgenden teschreibung der Wirkungsweise des Schwingungstilgers
ergibt sich, daß die Verstellung der Härte der zwischen der Welle 2 und der Tilgermasse
3 wirksamen Federung unter Verwendung der Schwingungsenergle der Tilgermasse 3 erfolgt.
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Der - wie bereits erwähnt - in gleicher Phase mit der Welle 2 schwingende
Hilfsschwinger 5 übt durch seine Schwingung Reaktionskräfte auf die längsgeschlitzte,
den Fortsatz 16 der Federstütze 8 unter Vorspannung umgreifende Büchse 15 der Bremse
6 aus. Hierbei wird Je Schwingung in einer Richtung der Festsitz und damit das Bremsmoment
verringert, in der anderen Richtung erhöht. Auf diese Weise gibt der Hilfsschwinger
5 der Bremse 6 eine Richtwirkung ähnlich einem Freilauf, so daß es der auf die Gummielemente
einwirkenden Tilgermasse 3 in der einen Drehrichtung leichter fällt, die Federstütze
8 zu verdrehen, als in der anderen Drehrichtung.
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Die Tilgermasse 3 hat demnach die Tendenz, die Federstütze 8 allmählich
in der Richtung zu verdrehen, in der sie selbst in dem Zeitabschnitt schwingt, in
dem das Bremsmoment geringer ist.
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Durch die bereits beschriebenen Kurbelarme 12 und Lenker 13 wird bei
dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel bei unterkritischem Tilgerbetrieb
- die Tilgermasse 3 schwingt in Fig. 1 im Uhrzeigersinn (ausgezogener Drehpfeil),
in Fig. 3 demnach entgegen dem Uhrzeigensinn -eine Verdrehung der Gummielemente
10 zu niedrigeren Federraten bewirkt. Schwingt die Bremse 6 mit dem Hilfsschwinger
5 gemäß Fig. 1 im Uhrzeigersinn, so wird die Bremse 6 gegeschwächt. In Fig. 1 ist
gerade die weichste Stellung der Gummielemente dargestellt.
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Schwingt die Tilgermasse 3 dagegen überkritisch - in Fig. 1 entgegen
dem Uhrzeigersinn (strichlierter Drehpfeil) -während die Bremse 6 durch den im Uhrzeigersinn
schwingenden Hilfsschwinger 5 geschwächt ist, so dreht die Tilgermasse die Federstütze
8 in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn, demnach in Fig. 3 mit dem Uhrzeigersinn.
Wie aus der der Fig. 3 entsprechenden Schemadarstellung in Fig. 4 erkennbar wird,
werden dabei die wirksamen Federraten härter.
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Diese Regelung funktioniert solange, bis Resonanz auftritt, das heißt
Tilgermasse 3 und Welle 2 bzw. Tilgermasse 3 und Hilfsschwinger 5 schwingen um 900
phaserLverschoben. Dann ist die Bremse 6 in jeder zweiten Viertelschwingung der
Tilgermasse 3 einmal im Uhrzeigersinn, einmal im entgegengesetzten Drehsinn, geschwächt.
In diesem Zustand übt die Tilgermasse kein bevorzugtes Drehmoment mehr in einer
bestimmten Drehrichtung zum Verdrehen der Federstütze 8 aus, d.h. die Federstütze
8 bleibt in einer Mittellage stehen.
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Eine sich etwa mit der Zeit verändernde Bremswirkung der Bremse 6
führt zwar Verlängerung der Abstimmdauer, nicht jedoch zu einer prinzipiellen Beeinträchtigung
der Funktion des Schwingungstilgers. Dabei sei noch darauf hingewiesen, daß weit
von der Tilgerresonanz der Tilger zwar schwach
schwingt, also wenig
Energie zum Verstellen liefert, der Ililfsschwinger 5 aber umso stärkcr s(;vlwingt,
d.h. die Richtwirkung der Bremse 6 ist ausgeprägter. In der Umgebung der Resonanz
dagegen schwingt der Tilger stark, gibt also viel Energie ab, während die Richtwirkung
der Bremse 6 nachläßt, weil der iiilfsschwinger 5 kaum mehr schwingt, da ja die
Schwingungen der Welle 3 fast getilgt sind.
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bei dem in den Fig. 5 bis 8 dargestellten dynamischen Drehschwingungstilger
weist das für die Veränderung der zwischen der Tilgermasse 23 und der Welle 2 vorgesehene,
um die Wellenachse 2 verdrehbare Stellglied 24 einen radialen Stützarm 25 mit zwei
daran angelenkten, im wesentlichen entgegengesetzt gerichteten Armen 26 und 27 auf.
An den Enden dieser Arme greifen zwei Längsfedern 28 an, die andererseits in einem
gemeinsamen Angriffspunkt 29 mit der Tilgermasse 23 verbunden sind. Die beiden Arme
26 und 27 sind über je eine Verstellstange 30 bzw. 31 mit einer auf der Welle 2
fest angeordneten IJabe 32 verbunden. Beim Verdrehen des Stellglieds 24 relativ
zur Nabe 32 werden auch die Arme 26, 27 und damit die äußeren Enden der Federn 28
in ihrer gegenseitigen Neigung zueinander verstellt. Sind die beiden Federn 28 etwa
im Sinn der beiden Pfeile in Fig. 7 unten einander angenähert, so hat das Fcderungssystem
insgesamt eine geringere Härte und der Schwingungstilger somit eine geringere Eigenfrequenz
als in der dargestellten Ausgangslage. Zweckmäßig decken sich die Federn 28 mit
den Armen 26 bzw. 27, so daß die theoretische Verstellarbeit null ist, da die Federn
kein Moment um den Angriffspunkt 29 ausüben.
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Ferner soll die Winkelübersetzung zwischen der Welle 2 und Jedem der
Arme 26, 27 in jeder Stellung gleich groß sein, damit keine, von den Reaktionskräften
der Tilgermasse herrührende, einseitige Richtwirkung an der Stütze auftritt.
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Gemäß Fig. 5a und 6 besteht die Bremse 33 aus einem an der Habe 32
angelenkten Hebel 34, der unter der Wirkung einer Feder 35 einen Bremsklotz 36 gegen
eine Bremsfläche des Stellglieds 24 drückt. Die Bremsfläche 37 wird durch ein Segment
einer zur Welle 2 konzentrischen Zylindermantelfläche gebildet. Der Hilfsschwinger
38 ist um eine zur Wellenachse parallele Achse 39 schwenkbar an der Nabe 32 gelagert.
Gemäß Fig. 5a können der Hilfsschwinger 38 und der Hebel 34 einstückig sein. Hierbei
ist der Bremsklotz 36 aus elastischem iSlaterial und ist zugleich die Feder des
HilSsschwingers 38.
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Nach Fig. 5b kann aber auch der Hilfsschwinger 38' um die Lagerachse
39 des Hebels 34' schwenkbar sein und über zwei Druckfedern 40 mit dem Hebel 34'
in Verbindung stehen. Mit der letzten Variante läßt sich ein besseres Pulsieren
der von der Bremse 33' erzeugten Bremskraft erreichen. Der Bremsklotz 36' braucht
hier nicht elastisch zu sein.
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Damit nicht bei unterschiedlichen Stellungen der Welle ein Moment
aus der Schwerkraft an den Hilfsschwingern 38 bzw.
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38' wirkt, sind diese Schwinger zweckmäßig mit einem Gegengewicht
41 bzw. 41' versehen.
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Das Gestänge zur Verstellung der Federn 28 ist auch bei dem vorbeschriebenen
Ausführtxngsbeispiel so ausgelegt, daß bei unterkritisch schwingendem Tilger analog
der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 4, dessen Eigenfrequenz erniedrigt, bei
überkritischem Betrieb erhöht wird.
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Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 bis 11 weist das zur Veränderung
der Federwirkung um die Welle 2 drehbare Stellglied 42 einen radialen Stützarm 43
mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechenden Armen 44
auf
und entsprechenden Federn 45/, die in einem gemeinsamen Angriffspunkt 46 mit der
Tilgermasse 47 verbunden sind.
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An dem Stellglied 42 ist weiterhin ein Reibrad 48 mit senkrecht zur
Wellenachse verlaufender, als Gewindespindel ausgebildeter Drehachse 49 gelagert.
Das Reibrad 48 arbeitet mit einer Stirnfläche 50, einer mit der Welle2 verbundene
Nabe 51 zusammen. Anstellc des vorbeschriebenen Reibradgetriebes könnte beispielsirreise
auch ein Kegeltrieb verwendet werden. Die verdrehfest gefüilrbS mit der Gewindespindel
zusammenarbeitende Spindelmutter 52 steht über gebogene Verstellstangen 53 mit den
einen 4-4 in Verbindung.
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Ein Verdreiien des Stützarmes 43 relativ zu der mit der Welle 2 drehfest
verbundenen Nabe 51 führ-t, wie man erkennt, zu einem Verdrehen der Gewindespindel,
wodurch die Arme 44 und damit auch die Wirkungsrichtungen der beiden Federn 45 verändert
werden. Die Regelung ist hierbei besonders feinfühlig.
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Die Bremse umfaßt bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig.
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9 bis 11 zwei an der Nabe 51 um jeweils zur Wellenachse parallele
Achsen 54 schwenkbare Bremshebel 55 mit je einem Bremsklotz 56, der mit der äußeren
Zylindermantelfläche 57 eines an Stellglied 42 vorgesehenen Bremsringes 58 zusammenarbeitet.
Die Bremshebel 55 sind an ihren freien Enden über radial leicht vorgespannte Gummifedern
59 mit der im wesentlichen als Ringscheibe ausgebildeten und koaxial zur Welle 2
angeordneten Masse 60 des lIilfsschwingers 61 verbunden. Um Taumel schwingungen
des ilfsschwingers 61 um die Verbindungslinie der beiden Gummifedern 59 zu vermeiden,
können auch drei oder mehr der vorbeschriebenen Bremshebel 55 verwendet werden.
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Um einen komplett vormontierbaren Schwingungstilger zu erhalten, ist
das Stellglied 42 auf einer verlängerten Lagerbuchse 62 der mit der Welle 2 fest
verbundenen Nabe 51 und die Tilgermasse 47 auf einem verlängerten Nabenteil 63 des
Stellglieds gelagert.
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Bei den zuvor beschriebenen beiden Ausführungsbeispielen wird, ebenso
wie beim ersten Ausführungsbeispiel, zum Verstellen der Härte der Federung die Schwingungsenergie
des Tilgers verwendet.
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Bei dem in den Fig. 12 und 13 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt
die Verstellung der Härte der zwischen Welle 2 und Tilgermasse 64 wirksamen Federung
durch einen vom Hilfsschwinger 65 gesteuerten Servomotor G6. Der Servomotor 66 verdreht
ein auf einer mit der Welle 2 verbundenen Nabe 67 drehbares Stellglied 68 relativ
zur Nabe bzw. zur Welle.
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Sowohl die Nabe 67, als auch das Stellglied 68 weisen zwei radiale
Stützarme 69 bzw. 70 auf. An diesen Stützarmen sind aufeinander gerichtete Federn
71 vorgesehen, zwischen die ein radial nach innen weisender Nocken 72 der Tilgermasse
64 eingreift. Die Federn 71 haben progressive Federraten und werden von Gummikörpern
mit in Wirkungsrichtung unterschiedlichem Querschnitt gebildet.
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Wie man erkennt, hat der Servomotor 66 ein längsverstellbaref Stellorgan
73 und ist zwischen einem Stützarm 69 der Narbe 67 und einem Stützarm 70 des Stellglieds
68 wirksam.
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Als Hilfsschwinger 65 ist ein mit der Welle 2 (über die Nabe 67) verbundener
elektrischer Beschleunigungsgeber vorgesehen, der im Zusammenwirken mit einem an
der Tilgerinasse 64 angeordneten weiteren elektrischen Beschleunigungsgeber 74 über
eine Regler-Schalteinheit 75 den elektrischen Servomotor 66 steuert. Anstelle der
rein elektrisch betriebenen Servoeinheit könnte auch jede andere bekannte mechanischelektrische
oder hydraulische Servoeinheit verwendet werden.
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Die Beschleunigungsgeber können aus einer schwingend aufgehängten
Masse von elektrischen oder elektromagnetischen
Weg- oder Kraftmessern
(Induktionsgeber, Dehnmeßstreifen) oder einem piezoelektrischen Kristall bestehen,
der sich unter der Nasse-Beschleunigung verformt und die "Feder" des Schwingers
darstellt.
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Die Signale der beiden Beschleunigungsgebers können über jeweils einen
Transformator 77, der auch vor den Verstärkern liegen kann, geleitet werden. Dieser
Transformator erzeugt nur dann einen sekundären Wechselstrom, wenn unabhängig von
einer stationären, etwa durch Gasgeben am IIotor oder einen heftigen Lenkradeinschlag
bedingten Beschleunigung eine Schwingbeschleunigung vorhanden ist. Er erlaubt die
Feststellung der Phase der Schwingung und läßt das Steuergerät, unbeeinflußt von
der absoluten Beschleunigung an den Gebern, die richtige Entscheidung fällen.
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enn Resonanz herrscht, würde die Regler-Schalteinheit 75 den Signalen
der Geber folgend, fortwährend (zweimal je Schwingung) umschalten. Um dies zu vermeiden,
kann ein Wechsel strom-Magnet-Schalter 78 in die Leitung zum Servomotor eingebaut
werden, der von dem Transformator 76, der dem wellenfesten Geber (llilfsschwinger
65) nachgeschaltet ist, über ein Relais nur dann eingeschaltet wird, wenn die Welle
2 schwingt, d.h. außerhalb der Resonanz. Die von den Beschleunigungsgebern kommenden
Signale, ebenso wie die Stromzuführung zum Servomotor 66, können in üblicher Weise
bei kontinuierlich umlaufenden Wellen über Schleifringkontakte, bei Wellen mit geringen,
begrenzten Ausschlagwinkeln, wie etwa einer Lenkspindel, könen die Signale über
lose auf die Welle gewickelte Kabel an die Umgebung geleitet werden.