DE2760119C2 - Schwingungsisoliervorrichtung - Google Patents
SchwingungsisoliervorrichtungInfo
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Description
35
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsisoliervorrichtung nach dem Oberbegriff des
: Hauptanspruchs.
j,, ίο Aus der US-PS 33 22 379 ist bereits eine Schwingungsisoliervorrichtung zur Verbindung sines Körpers mit einer
ft schwingenden Masse bei minimaler Schwingungsübertragung bekannt. Die bekannte Schwingungsisoliervorrich-
Il tung hat einen gewichtsbelasteten Hebelarm, eine erste Schwenkeinrichtung, die die schwingende Masse mit dem
Ij Hebelarm an einer ersten Drchstelle schwenkbar verbindet, eine zweite Schwenkeinrichtung, die schwenkbar den
fs Körper mit dem Hebelarm an einer zweiten, auf dem Arm gegenüber dessen Schwerpunkt versetzten Drehstelle
Pi 4} verbindet und eine erste Federeinrichtung für eine Verbindung der schwingenden Masse mit dem Körper. Der
$ Körper ist gegenüber der schwingenden Masse mittels einer Vielzahl von an diesen beiden Teilen befestigten
j Schraubenfedern verbunden. Ein derartiges Schwingungsisoliersystem bzw. eine derartige Schwingungsisoliervor-
■; richtung hat ein Übertragungsmaß, d. h. ein Verhältnis von Schwingungshub der schwingenden Masse zum Schwingungshub
des zu isolierenden Körpers, das neben einer Resoiianzstelle eine sogenannte Antiresonanzstelle bzw.
;] so einen theoretischen Nullpunkt des Übcriragungsmaßcs bei Jcr Antiresonanzfrequenz einer Schwingung der schwin-
i'■■'■■■ genden Masse hat. Damit unterscheidet sich diese Schwingungsisoliervorrichtung wesentlich von den üblichen
U Feder-Dämpfer-Sysiemcn. deren Übertragungsmaß zwar ebenfalls bei einer Resonanzfrequenz eine Überhöhung
;| aufweist, das jedoch bei keiner Frequenz (abgesehen von der Frequenz oo) den Wert 0 erreicht. Somit ermöglicht ein
% derartiges Schwingungsisolationssystem bereits eine von der Theorie her fast 100 %ige Schwingungsisolierung einer
il 55 schwingenden Masse gegenüber einem Körper bei einer bestimmten Frequenz. Das bedeutet, daß bei dieser
*J Frequenz eine Schwinguitgsbewegung der schwingenden Masse nicht zu einer Sehwingungsbewegung des Körpers
j':-· führt. Die bekannte Schwingungsisoliervorrichlung hat jedoch den Nachteil, daß sie systembedingt nur zur Schwin-
' gungsisolierung bei einer einzigen Schwingungsfrequenz der schwingenden Masse geeignet ist. Bei Anwendung des
i{] bekannten Schwingungsisoliersystems in einem Helikopter zur Schwingungsisolation der Rotorschwingungen
^: Ni gegenüber dem Helikopterrumpf hat dieses System jedoch den erheblichen Nachteil, daL' Schwingungsfrequenzen
der Masse, die außerhalb der Antiresoniinzfrequenz des Sysicmcs liegen, praktisch ungedämpft auf den Helikopterrumpf
übertragen werden.
Ausder FR-PS 1181 260 ist ein Schwingungsdämpfungssystem, insbesondere zur Dämpfung der Schwingung von
Achsschenkeln von Kraftfahrzeugen bekannt. Dieses System dient zur Hrgänzung eines konventionellen Fedcr-65
Dämpfer-Systemes zur Dämpfung der Radsehwingung und besteht aus einem an der Radnabe bzw. am Achsschenkel
befestigten Hebel, gegenüber dem ein hchclartigcs Gewicht elastisch verschwenkbar ist. Das System dient dazu,
die Schwingung des Achsschenkels bzw. des damit verbundenen Rades dus Kraftfahrzeuges bei einer bestimmten
Freuuenz. die der Resonanzfrequenz des Hebelsystcms entspricht, zu dämpfen. Genauer gesagt, hat dieses System
veder die Aufgabe noch die Wirkung, eine Schwingungsisolierung zwischen zwei Körpern zu erreichen, sondern
lienl lediglich der Resonanzdämpfung eines schwingenden Teiles, an das das System direkt angeschraubt ist.
Eine fast identische Problematik mit fast analoger Lösung ist in der F-R-PS 1142684 angegeben. Auch hier ist ein
lirekt mit einem schwingenden Teil verbundenes SchwingungsdämpfersystCin beschrieben, das die Schwingung des
ichwingenden Teiles bei zwei Frequenzen unterdrücken soll. Auch dieses System dient nicht dazu, eine Schwinningsisolierung
zwischen einer schwingenden Masse und dem die schwingende Masse tragenden Körper zu
:rreichen. Dies ist von vornherein systembedingt bei dieser Vorrichtung unmöglich, da die Hauptverbindung
zwischen der schwingenden Masse und dem Körper immer aus einem Feder-Dämpfer-System bestellt. Das durch die
verschiedenen Ausführungsformen verfolgte Ziel liegt also nicht in der Schwingungsisolierung, sondern in der
Schwingungsverhinderung der schwingenden Masse.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsisoliervorrichtung nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß bei Schwingungsbewegungen der schwingenden Masse bei zwei verschiedenem
Frequenzen eine völlige Schwingungsisolation des die schwingende Masse tragenden Körpers erreicht
wird.
Diese Aufgabe wird bei ehier Schwingungsisoliervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst.
Dadurch, daß der gewichtsbtlastcie Hebelarm mit einem zweiten Schwingungssystem ausgerüstet ist, ergibt sich
eine doppelte Nuüstelle im Übertragungsmaß der Schwingungsisoliervorrichtung. Entscheidend für dieses Verhalten
ist, daß im Gegensatz zu den Zwei-Frequenz-Schwingungsdämpfern nach dem Stand der Technik nicht die
schwingende Masse an ihrer Bewegung gehindert wird, sondern daß die schwingende Masse frei beweglich bleibt und
die durch die schwingende Masse auftretenden Kräfte durch entgegengesetzte Kräfte gleicher Größe mittels eines
Trägheilssysiems kompensiert werden, daß aus dem Hebelarm der ersten und zweiten Federeinrichtu;.^ sowie dem
sekundären Gewicht besteht. Durch das EigenscNwingungsverhalten dieses zwischen der schwingenden Masse und
dem Körper angeordneten Systems, das in seiner Schwingung durch die Relativbewegung der schwingenden Masse
zum Körper angeregt wird, erreicht man, daß die von der schwingenden Masse ausgeübten Kräfte bei zwe·
voneinander unabhängigen und einstellbaren Frequenzen kompensiert wird.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausbildungen der Schwingungsisoucrvorrichtung sind in den nachfolgenden
Unteransprüchen beschrieben.
Nachfolgend werden Beispiele zur Erläuterung des technischen Hintergrundes der Erfindung sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in Vorderansicht einen Teil des Rumpfes von einem Helikopter sowie einen Teil des oberhalb des Rumpfes
mittels einer Schwingungsisoliervorrichtung angeordneten Rotor- und Transmissionseinheit,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf das in Fig. 1 gezeigten Helikoptersystem,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von einer Ausführungsform einer Schwingungsisoliervorrichtung,
Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung,
Fig. 5 ein schematisches Schaubild mit Darstellung der Arbeitszustände der Vorrichtung nach Fig. 3 und 4,
während eines Schwingungszyklus in Verbindung mit der Beschreibung der grundlegenden Arbeitsweise der
Vorrichtung,
F i g. 6a eine Draufsicht auf einen gegliederten Hebelarm zum Austausch gegen den bei der Vorrichtung nach F i g.
3 und 4 verwendeten starren Hebelarms, um gemäß der vorliegenden Erfindung ein System mit isolierende? 40
Eigenschaft fur zwei Frequenzen zu schaffen,
Fig. 6b eine geschnittene Ansicht des in Fig. 6a gezeigten Hr.belarms.
Fig. 7 eine andere Ausführungsform für einen Schwingungsarm zur Isolierung von zwei Frequenzen und zur
Verwendung bei der Vorrichtung nach F i g. 3 und 4,
Fig. 8 eine dritte Ausführungsform von einem Hebelarmmechanismus zur Isolierung von zwei Frequenzen und
zur Verwendung bei der Vorrichtung nach Fig 3 und 4.
Fig. 9 eine grafische Darstellung de» Übertragungsverhaltens als Funktion der Schwingungsfrequenz für die in
Fig. 3 und 4 gezeigte Vorrichtung zum Isolieren von Schwingungen mit einfacher Frequenz,
F i g. 10 eine grafische Daistellung des Ubertragungsverhaltens als Funktion der Schwingungsfrequenz für die mit
Hebelarmen gemäß Fig. 6a, 6b, 7 und 8 ausgestattete Vorrichtung zum Isolieren von Schwingungen zweifacher
Frequenz,
Fig. 11 ein schematisches Schaubild von einem Schwingungsisolator für zweifache Frequenz einer Bauart, wie sie
sich in Verbindung mit Fig. 7 und 8 ergibt.
Fig. 1 und 2 zeigen in Vorder- bzw. Draufsicht ein Schwingungs'soliersyslem für einen Helikopter. Eine Rotor-
und Transmissionsanordnung 10 ist mit der Oberseite des Rumpfes 12 über ein Rahmenelement 14 und vier
Schwingungsisolatoren 16,18,24 und 26 verbunden. Der Rahmen 14 ist an vier Stellen 28,30,32 und 34 mi* den vier
Schwingungsisolatoren 16,18,24 bzw. 26 verbunden. Diese Isolatoren sind wiederum mit dem Rumpf 1? durch acht
Aufhängeböcke 20 (zwei pro Isolator) gekoppelt.
Fig. 3 zeigt den vorderen rechtsseitigen isolator 18 im Detail. Fig. 4 stellt eine auseinandergezogene Ansicht der
gleichen Anordnung dar, um deutlicher die inneren Teile der Anordnung wiederzugeben. Da sämtliche vier to
Isolatoren gleichartig sind, wird nachfolgend im Detail nur eine Anordnung 18 beschrieben. Die wesentlichen Teile
der Isolatorvorrichtung umfassen einen Hebelarm 40 mit einem an einem Ende angeordneten einstellbaren Gewicht
und einem Paar am anderen Ende angeordneten Schwenkbefestigungen 44 und 46. Das die Rotor- und Transmissionsanordnung
tragende Rahmcnelemenl 14 ist schwenkbar mit dem gewichtsbclaslctcn Hebelarm 40 durch einen
Gabelkopf 56 verbunden, der über einen Schwenkblock 60 mit den Schwenkbefestigungen 44 und 46 gekoppelt ist.
Letztere weisen Schwenklugergehäuse 44" bzw. 46" auf, die Lagcrelemente 47 tragen, so daU der Hebelarm 40 frei auf
den Zapfen 60' und 60" am Schwenkblock 60 gedreht werden kann. Der Gabelkopf 56 und der Block 60 sind durch
pinen Stift 57 drehbar miteinander verbunden. Ein Zapfenelement 58 ist integral an der Oberseite des Gabelkopfes 56
angeordnet, um diesen mit dem Rahmen 14 verbinden zu können. Die Kombination der durch den Stift 57 und den
Zapfen 60' und 60" geschaffenen Drehachsen führt in Verbindung mit der Rotor- und Transmissionsanordnung zu
einer kardanischen Wirkung.
Ein zweites Paar Schwenklagergehäusc 44' und 46' ist als integraler Bestandteil der Elemente 44 und 46
j vorgesehen. Ein Paar Torsionsstäbe 52 und 64 ist starr mit den Elementen 44 bzw. 46 verbunden und ragt davon
längs der Mittellinie der Lagergehäuse 44' und 46' nach außen ab.
Ein HUlsenteil 50 ist an einem Ende durch Befestigungselemente 54 mit dem Torsionsstab 52 verbunden. Das
andere Ende der Hülse 50 ist frei drehbar im Lager 48. Auf ähnliche Weise ist ein Hülsenteil 62 an einem Ende mit
dem Torsionsstab 64 verbunden und an seinem anderen Ende frei drehbar in dem im Lagergehäuse 46 vorgesehenen
ίο Lager. Die Tragböcke 20, die die Isolatoranordnung mit dem Helikopterrumpf verbinden, stehen integral in
Verbindung mit den Hülsenteilen 50 und 62. Wie in Fig. 3 gezeigt, befindet sich die Drehachse der Schwenkverbindung
zwischen dem gewichtsbelasteten Hebelarm 40 und dem Rahmen 14 bei 70. Die Drehachse für die Schwenkverbindung
zwischen dem Hebelarm 40 und dem Rumpf ist bei 72 angedeutet. Die beiden Drehachsen sind längs des
Hebelarms um die Wegstrecke D voneinander versetzt. Der Schwerpunkt des Hebelarms 40 kann durch Änderung
υ der Lage des mit Gewinde versehenen Gewichiselementes42 auf dem Hebelarm verlagert werden und befindet sich
links von der Achse 72. d.h. an der der Achse 70 gegenüberliegenden Seite.
Nach Fig. 1 ist der Rumpf 12 am Rahmen 14 an vier nachgiebigen Verbindungsstellen, die durch die vier, gemäß
Fig. 3 und 4 aufgebauten. Isolutoranordnungen gebildet sind, aufgehängt. Die Torsionsstäbe 52 und 64 der
!2c!2icrancrd"%M"iortr* «»·ί*»Λίΐΐ·ηΚβΛ «-in«- a»u/iccp f*»Hprmln Vi»rtili»Ihru/ruunc 7u/isrhpn R iimnf lind RnlnranordnunQ
:o Durch den Rotor und die Transmissionsanordnung erzeugte vertikal gerichtete Schwingungen stehen mit dem
Rumpf durch die Torsionsfedern der Isolatoren in Verbindung, und bei Relativbewegung von Rumpfund Rotoranordnung
in vertikaler Richtung schwenken die gewichlsbelasteten Hebelarme 40 der Isolatoren um ihre betreffenden
Drehachsen 70 aus. Ferner ermöglicht die kardanische, an den vier Aufhängungspunkten durch die Gabelkopfanordnung
56 geschaffene Wirkung ein Kippen der Rotoranordnung um sowohl die Nick- als auch Rollachse, so daß
:5 das Aufhängungssystem den winkelmäßig angreifenden Sehwingungskräftcn um die Nick- und Rollachse und auch
den vertikal angreifenden Kräften Rechnung tragen kann. Diese winkelmäßig angreifenden Kräfte erscheinen an
den vier Isolatoranordnungen als Vertikalschwingungen von unterschiedlichem Phasenverlauf.
Die in Fig. 1 bis 4 gezeigten Schwingungsisolatoren haben die Aufga'js, den Rumpfgegenüber den Schwingungen
zu isolieren, die im Rotorsystem auftreten, indem den vibratorischen Kräften, die durch die Isolatortorsionsfedern
Μ mit den durch die schwingungsinduziertc Versetzung der gcwichtsbelasteten Hebelarme 40 hervorgerufenen Trägheitskräften
gekoppelt sind, entgegengewirkt wird. Die Arbeitsweise ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.
F i g. 5 zeigt die Arbeitsweise des Isolators bei fünf unterschiedlichen Zuständen während eines Rotorvibrationszyklus.
Die an der Oberseite des Diagramms wiedergegebene Eingangswellenform stellt die Verlagerung von Rotortransmission
10 und Rahmen 14 dar. Die an der Unterseite des Diagramms gezeigte Ausgangswellenform gibt die
Verlagerung des Rumpfes 12 wieder. Der Zustand des Isolators an fünf unterschiedlichen Punkte A bis £ ist ebenfalls
gezeigt. In den mechanischen Schemaskizzen ist der Isolatoruufbau durch einen die Anordnung aus Rotortransmission
und Rahmen wiedergegebenen Block 10.14. einen den Rumpf wicdcrgcgcbenen Block 12, ein den gewichtsbelasteten
Hebelarm wiedergebendes Element 40,42 und ein Federclcmcnt angedeutet, das die Torsionsstäbe 52 und 64
darstellt, die in der Vorrichtung nach Fig. 3 und 4 an der Drehachse 72 zwischen Grundkörper und Hebelarm
■«ι angeordnet sind. Die Linearfeder hat die gleiche Funktion wie die Torsionsfedern 52,6-1. wobei die Federkonstante
für die Feder durch die Gleichung K1. = Krjrz in Beziehung zur Torsionsfederkonstanten steht. In dieser Gleichung
bedeuten K1 und KT die Federkonstanten für die Linear- bzw. Torsionsfeder und r den Abstand zwischen den beiden
Drehachsen am Hebelarm.
An der Stelle A befindet sich der Rotorschwingungseingang an der neutralen Stelle, so daß die Rotoranordnung.
•15 der Rumpf, die Feder und der Hebelarm sämtlich ihre neutralen Lagen einnehmen. Da an dieser Stelle keine
Verlagerung der Feder vorliegt, wird auf den Rumpf 12 keine Schwingungskraft übertragen.
An der Stelle B geht die Rotorschwingung nach oben, so daß sich die Rotoranordnung 10,14 unter Ausdehnung
der Feder 52,64 ebenfalls nach oben bewegt. Der Hebelarm 40.42 dreht sich in Uhrzeigerrichtung. Da der Punkt B
die Stelle maximaler Aufwärtsverlagerung wiedergibt, hat der gewichtsbelastete Hebelarm das Ende seines Bewegungsweges
erreicht und damit eine Winkelgeschwindigkeit von Null. Dagegen ist die Beschleunigung an diesem
Umkehrpunkt maximal und die nach unten gerichtete von dem Hebelarm auf den Rumpf über die Drehachse 50
aufgegebene Trägheitskraft entgegengesetzt gleich der nach oben gerichteten, von der ausgedehnten Feder aufgebrachten
Kraft. Daher wird der Rumpf mit einer Kraft der Größe Null beaufschlagt, so daß er. wie am Punkt β auf
der Ausgangswellenform gezeigt, keine Verlagerung erfährt.
Punkt C gibt erneut die neutrale Stellung der Vorrichtung wieder, bei der sich die Feder im entspannten Zustand
befindet und der Hebelarm unter maximaler Geschwindigkeit bei einer Beschleunigung von Null entgegen der
Uhrzeigerrichtung dreht. Die auf den Rumpf wirkende Kraftdifferenz ist wiederum gleich Null. Am Punkt D
erreicht die Feder den Zustand maximaler Kompression und übt eine maximale Abwärtskraft auf den Rumpf aus.
wobei dieser Kraft durch die gleich große nach oben gerichtete Trägheitskraft entgegengewirkt wird, die auf den
«) Rumpf durch den Hebelarm über die Drehachse 70 ausgeübt wird.
An der Stelle E befindet sich die Vorrichtung wieder in der neutralen Lage. Daher bleibt bei einer bestimmten
Schwingungsfrequenz der Rumpf oder Körper 12 in Ruhe und ist vollständig gegenüber der Schwingung des
Körpers 10. 14 getrennt oder isoliert.
Die Wirkung von einem solchen sogenannten »nodalen« Isolator unterscheidet sich beträchtlich von einem
Die Wirkung von einem solchen sogenannten »nodalen« Isolator unterscheidet sich beträchtlich von einem
f-y konventionellen Isolator aus einer parallel geschalteien Feder-Dämnfer-Anordnung. Das Übertragunesdiagramm
für einen konventionellen Isolator zeigt eine Resonanzfrequenz und dann bei höheren Schwingungen eine Isolierwirkung
bei einem Frequen7\erhältnis von < \ 2, wobei sich die Isolierwirkung mit zunehmender Frequenz verbessert
und einen Wert von 100% bei unendlich hohen Frequenzen erreicht.
Dies ist durch die gestrichelte Kurve in Fig. 6 wiedergegeben, die das Übertragungsverhalten über der Frequenz
darstellt. Der erfindungsgemäßc nodale Isolator hat eine ähnliche Resonanzfrequenz, jedoch danach eine spezifische
Antiresonanzfrequenz, bei der eine Schwingungsisolierung von 100% erhalten wird. Dies ist in Fig. 6 durch
ausgezogene Linien wiedergegeben. Die Resonanzfrequenz ist auf der Abszisse an der mit
<», bezeichneten Stelle angedeutet. Die Antiresonanzfrequenz tritt bei einer höheren mit «„ bezeichneten Frequenz auf.
Die Isoliercharaktcristik von einem konventionellen Isolator ändert sich mit Änderung des aufgehängten Gesamtgewichts.
Beim oben beschriebenen Isolator wird dagegen eine l(X)%igc Isolierung, unabhängig von einer
Änderung in den GcwichisverhältniSsen, erhalten. Ferner kann im Vergleich zu der Feder von einem konventionellen
Isolüf^r die Federsteifigkeit sehr hoch sein. Die Antiresonanzfrequenz ι O11 ist durch folgende Gleichung bestimmt:
R(R
Darin bedeuten: K1. Federkonstante der Linearfeder S, m2 Masse des gewichtsbelastelen Hebelarms 40,42 und
der Schwenkbefestigung 44, 46, R der Abstand längs des Hebelarmes zwischen der Drehachse 70 und dem
Schwerpunkt des gewichtsbelasteten Hebelarms, r der Abstand D (vgl. Fig. 3) zwischen den beiden Hebelarm-Drehachsen,
und / das rviassenirägheiismcmiciii de» gcwicnisbelastctcn Hebelarms um seinen Schwerpunkt in einer
senkrecht zu den Drehachsen liegenden Ebene.
Aus Fig. 1 bis 4 folgt, daß das gezeigte Beispiel zum technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung eine
Kopplungseinrichtung vorsieht, um eine schwingende Masse mit einem zu isolierenden Körper an einer Vielzahl von
Stellen zu verbinden, wobei das System an jedem Verbindungspunkt einen gcwichtsbelasteten Hebelarm 40,42, in
Verbindung mit einer ersten und zweiten Schwenkeinrichtung und Torsionsfedern aufweist. Wie dargestellt, umfaßt
die erste Schwenkeinrichtung den Gabelkopf 56 und den Schwenkblock 60, um die schwingende Masse mit dem
Hebelarm an einer ersten, durch die Achse 70 definierten Schwcnkstelle schwenkbar miteinander zu verbinden. Wie
weiter dargestellt, umfaßt die zweite Schwenkeinrichtung die in den Gehäusen 44' und 46' vorgesehenen Lager 48.
die Befestigungshülsen 50 und 64, sowie die Tragböcke 20. um den Rumpf mit dem Hebelarm an einer zweiten, durch
die Achse 72 definierten Schwenkstelle drehbar miteinander zu verbinden, wobei die zweite Schwenkstelle zwischen
der ersten und dem Schwerpunkt des Hebelarms liegt.
Die rorsionsfedereinrichtung umfaßt, wie erwähnt, die Torsionssläbe 52 und 64. die die Aufgabe haben, die
Schwingungskräfte auf den Rumpf von dem schwingenden Massensystem über die Schwenkeinrichtungen zu
übertragen, so daß durch die schwingungsinduzierte Verlagerung des Hebelarms erzeugte Trägheitskräfte auf den
Rumpf über die zweite Schwenkeinrichtung einwirken, welche den auf den Rumpf über die Torsionsfedern
einwirkenden Schwingungskräften von einer ersten bestimmten Frequenz entgegengesetzt sind. Das System isoliert
damit weitestgehend den Rumpf gegenüber einer Schwingungsbewegung bei Vorliegen von Schwingungskräften
ucfäfugcf ucStiiTiiTticr ι rcqucnz.
Wie schon erwähnt, gibt es bei einem System, wie einem Helikopter, gewöhnlich eine zweite ausgeprägte
Schwingungsfrequenz. Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das vorstehend beschriebene Schwingungsisoliersystem
derart modifiziert, daß weitestgehend beide überwiegend vorliegende Schwingungsfrequenzen
ausgeschaltet werden. Zusammengefaßt wird dies dadurch erzielt, indem dem System eine sekundäre Feder-Massen-Anordnung
zusätzlich zu dem gewichtsbelasteten Hebelarm und den Hauptverbindungsfedern zugefügt wird. Die
Masse und die Federkonstante von dieser weiteren Feder-Massen-Anordnung wird so gewählt, daß die kombinierte
Wirkung von der Isolatorbasisanordnung mit der zusätzlichen Feder-Massen-Anordnung ein Doppelfrequenzsystern
von Trägheitskräften erzeugt, die auf den Rumpf einwirken, um ihn gegenüber den beiden vorliegenden
Schwingungsfrequenzen zu isolieren.
Fig. 6a zeigt einen gegliederten gewichtsbelasteten Hebelarm, der so aufgebaut ist. daß er anstelle des starren
Hebelarms 40,42, in das in Fig. 3 und 4 gezeigte System eingefügt werden kann. Fig. 6a ist eine Draufsicht auf den
gegliederten Hebelarm und Fig. 6b eine zentral geschnittene Ansicht mit Darstellung der inneren Elemente. Der so
gewichtsbelastete, in Fig. 6a und 6b gezeigte Hebelarm (101) weist einen steifen Bereich mit einem Ansatzstück an
seinem linken Ende, das eine Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 3 und 4 ermöglicht, auf. Ein gewichtsbelastetes
rohrförmiges Element 103 ist als zweiter Hebelarm schwenkbar mit dem Arm 101 über eine federnde
Schwenkverbindung verbunden. Ein Hülsenteil 117 ist starr am Ann 101 an dessen rechtem Ende befestigt. Ein Paar
Lager 107 stützt sich auf der Hülse 117 ab und schafft die notwendige Schwenkhalterung für das rohrförmige Teil
103.
Das rohrförmige Teil 103 ist durch einen Torsionsstab 115 mit dem Arm 101 verbunden. Ein Ende des Torsionsstabes
steht mit der Hülse 117 und das andere Ende über eine Büchse 113 mit einer rechtwinkligen Verlängerung 105
in Verbindung, die von der Seite des rohrförmigen Teils 103 absteht. Bei diesem Aufbau kann das rohrförmige Teil
103 eine Schwenkbewegung unter rechtem Winkel zur Zeichnungsebene vornehmen, wobei die Bewegung durch den μ
Torsionsstab 115 federnd gehemmt wird.
Ein Paar mit Gewinde versehene Gewichtselemente 109 und 111 sind an der äußeren Oberfläche des rohrförmigen
Teils 103 vorgesehen, um sowohl das Massenträgheitsmoment als auch den Schwerpunkt des sekundären Feder-Massen-Systems
einstellen zu können.
Wenn der gegliederte Hebelarm nach Fig. 6a und 6b anstelle des gewichtsbelasteten Hebelarms 40, 42 in der es
isolatoranordnung nach Fig. 3 und 4 vorgesehen wird, wird eine zweifache- Frequenzschwingungsisoüerung
erhalten. Die isolierung des Körpers (Rumpfes) gegenüber der Schwingungsbewegung bei der primären (unteren)
Frequenz der beiden vorherrschenden Frequenzen wird durch die Trägheitskräfte erzielt, die durch die schwingungs-
induzierte Verlagerung des steifen Basistcils des Hebelarms 100 hervorgerufen werden. Der steife Tcii umfaßt den
Arm 101, den Torsionsstab 115. die Hülse 117 und die Lager 107. Das Masscnlraghcitsmoment von diesem Teil der
Konstruktion ist nicht einstellbar, und ferner liegt der Schwerpunkt fixiert an einer gewünschten Stelle irgendwo
zwischen den Enden des Armes 101.
5 Die Trägheitskräfte zur Isolierung des Systems gegenüber der sekundären höheren) Schwingungsfrequenz werden
durch das sekundäre Gewichtselement hervorgerufen, das das rohrförmige Teil 103 und seine einstellbaren Gewichte
109 und 111 cn.hall. Die Lage von letzterem auf dem rohrförmigen Teil 103 isi einstellbar, um die sekundäre
Feder-Massen-Anordnung zur Erzielung einer optimalen Isolierung bei der unteren als auch bei der höheren
Frequenz abstimmen zu können. Durch voneinander Wegbewegen der Gewichte 109 und 111 um gleiche Beträge
ι» verändert sich das Masseniräghcitsmoment der sekundären Gewichtsanordnung und damit vorherrschend die
Abstimmung der höheren Frequenz; eine Bewegung der Gewichte um gleiche Beträge in die gleiche Richtung
verändert den Schwerpunkt der sekundären Gewichtsanordnung und damit vorherrschend die Abstimmung auf die
niedrigere Frequenz.
Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von einem für das Basissystem zur Erzielung einer Doppelfrequenzi-
15 solierung verwendbaren Hebelarm. Dieser Arm weist ein Teil 122 auf. das so ausgebildet ist, daß es in die
Konstruktion nach Fig. 3 und 4 anstelle des Hebelarms 40 eingefügt werden kann. Ferner umfaßt dieser Arm ein
Rahmenelement 124, das starr mit dem Teil 122 verbunden ist. Ein FUhrungszapfcn 126 ist im Rahmen 124 gehalten
und dient der Bewegungsführung von einem federnd gehaltenen sekundären Gewichtselement 128. Das Gewicht 128
wird an dem Führungszapfen 126 gleitbar mittels eines Paars Linearlagcr 130 gehalten und durch einen Satz,
si bestehend aus vier Druckfedern 132, federnd festgelegt. Die oberen beiden Federn üben uüf d::s Gewicht 128 Kräfte
aus, die gleich aber entgegengesetzt zu den Kräften der unteren beiden Federn 132 sind, so daß das Gewicht 128 unter
statischen Verhältnissen in einer neutralen Lage gehalten wird.
ι Eine vibratorische Verlagerung des Hebelarms 120 ruft Trägheitskräfte hervor, die eine Schwingungsisolierung
bei zwei bestimmten Frequenzen in der gleichen Weise schafft, wie dies zuvor in Verbindung mit dem in Fig. 6
25 gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
: .■;■ F i g. 8 gibt ein drittes Ausführungsbeispiel von einem gewichtsbelastctcn Hebelarm wieder, der eine Schwingungs-
isolierung bei doppelter Frequenz erzeugt, wenn er anstelle des steifen Hebelarmes 40, 42 in das in Fig. 3 und 4
gezeigte System eingesetzt wird. Der Doppelfrequenzhebclarm 140 weist einen Verbindungsabschnitt 142 auf, der so
ausgebildet ist, daß eine Anordnung des Armes in dem Basisisolator möglich ist, und weiter weist der Arm einen
.ίο mittleren Abschnitt 144 und einen Gewichtsabschnitt 146 auf. Der mittlere Abschnitt 144 ist in Form von einem Paar
;■;. beanstandeter Seitenschienen ausgebildet, so daß ein sekundäres Gewichtsclement 150 und eine Blattfeder 152
,·· zwischen den Schienen des mittleren Abschnitts aufgenommen werden können. Die Feder 152 setzt sich aus einer
: Vielzahl von parallelen Federblättern zusammen, die an jedem Ende so eingespannt sind, daß sie sich in eine
S-Konfiguration verformen. Die einzelnen Blätter werden durch Abstandsscheiben voneinander in Abstand gehal-
;■; 35 ten, so daß zwischen ihnen keine Reibungskraft vorliegt. Die Federkonstruktion ermöglicht eine Bewegung des
J] Gewichtes 150 längs eines geraden Weges, als ob es mit dem Basisarm durch ein viergiiedriges Gestänge verbunden
'■'■■ wäre. Bei Draufsicht haben die Federhalter die Gestall von einer Sanduhr, wobei die Schmalabmessung etwa auf
I halbem Weg zwischen den Enden liegt.
i\ Ersichtlich ist, daß die Arbeitsweise des Zweifrequenzhcbelarmes 140 nach Fig. 8 funktional identisch mit der
ä -to Anordnung nach F i g. 7 ist. bei der das sekundäre Gewichtselcment 128 ebenfalls federnd längs eines linearen Weges
■i beweglich gehalten ist.
}i Fig. 11 zeigt schematisch einen Zwcifrequenzisolator unter Verwendung eines gewichtsbelasteten Het-larmes,
J der in Fig. 7 und 8 ge/cigtcn Konstruktion und mit linear beweglich gehaltenem sekundären Gewicht. Die
;-j schematisch dargestellte Feder 160 ist eine Linearfeder im Gegensatz zu der Torsionsfederanordnung bei den
j,-; 45 Hauptfederverbindungen der zuvor beschriebenen Isolatoranordnungcn. Wie jedoch zuvor erwähnt, arbeiten die
B beiden Federarten in äquivalenter Weise und stehen ihre Federkonstanten in folgender Beziehung zueinander:
;i K1 = T1Ki, worin bedeuten: K1 Federkonstantc der Torsionsfeder. K1 Federkonstante der Linearfeder und r den
p Abstand zwischen den Drehachsen 70 und 72.
|ij 50 l>ie beiden zu isolierenden Frequenzen für den Zweifrequcnzisolator nach Fig. 11, der wie in Verbindung mit
Ü Fig. 3, 4, 7 und 8 erwähnt aufgebaut ist, können mathematisch nach folgenden Gleichungen bestimmt werden.
,Ι; Bei diesen Gleichungen bedeuten die grafisch in Fig. 11 wiedergegebenen Parameter:
-5v W1- Masse der schwingenden Anordnung (d.h. Rotor und Transmission)
i; AZ2- Masse des zu isolierenden Körpers (Rumpfes)
•%\ K1 - Federkonstante der Linearfeder äquivalent zu den Hauptlorsionskopplungsfedern
:): K3 - Federkonstante für die sekundäre Feder-Massen-Anordnung
ί-· «ι MB- Masse des primären (steifen) Teils des gewichtsbelasteten Hebelarms, z. B. der Elemente 122, 124, 126 nach
K Fig. 7
§ M1- Masse des sekundären Gewichtselementes, z.B. 128, nach Fig. 7
fi: R - Abstand zwischen der Drehachse 70 (Fig. 3) und dem Schwerpunkt der Masse M„
ti r - Abstand zwischen der Drehachse 70 und der Drehachse 72 längs des Hebelarmes
f|| 65 / - Abstand zwischen der Drehachse 70 und d'im Schwerpunkt der sekundären Masse M1
% Z1 - Verlagerung der Masse M1 relativ zu einem stationären Bezugspunkt
f$ Z2 - Verlagerung der Masse M1 relativ zurr, gleichen stationären Bezugspunkt
!gj Z3 - Verlagerung der Masse M1 relativ zum Hebelarm.
Bewegungsgleichungen lassen sich aufstellen:
+ M31 - -1 ) Z3 + K1 (Z, -Z2) = F sin wl
Μ. Γ Ij 7. - M, Z2 + M.2,+ K1Z, =0.
V J
In Matrizeiiform umgewandelt ergibt sich (unter der Annahme einer sinusförmigen Bewegung mit Z = — W2Z):
In Matrizeiiform umgewandelt ergibt sich (unter der Annahme einer sinusförmigen Bewegung mit Z = — W2Z):
"K1-W2M11 -(K1-W2M12) -orM.n iZ'l [F>
-(K1-W2M21) K1-W2M22 O2AZ23 NzA = |o
^31 W2M32 K3W2M33J \zs\ M)
worin bedeuten:
M1 χ ^M1 + MB
j-Λ2 + M3C1
= M31-M3 Ρ-
JO
.15
M23 = M32 = M3'
M33 = M3.
Die Lösung für Z2 kann formal wie folgt geschrieben werden:
Ow2M2
50
worin A = Determinante der dynamischen Matrix.
Die notwendige und ausreichende Bedingung, daß Z2 Null wird ist (bei & ungleich Null zum gleichen Zeitpunkt):
-K1-W2M11) W2M1,
V-K1-W2
[-W2M31
Dies ergibt:
ω*(Μ33Μ!2-M31
oder, nach gewisser Kürzung
, K3=O
60
65
+ K1K3=O.
Da es sich infolge von <o, bei dieser maßgebenden Gleichung um eine quadratische handelt, versteht es sich, daß
bei geeigneter Auswahl der veränderlichen Parameter K1. K3. M8. R. r. I zwei Frequenzen vorliegen, bei denen das
gewünschte Ziel, daß Z2 gleich Null wird, erhalten werden kann.
Experimentell wurde festgestellt, daß das Isolierverhalten für den vorgehend beschriebenen Zweifrequenzenisola-J tor faktisch unabhängig vom Wert Ms ist (solange wie K3 entsprechend verändert wird), und daß die Isoliereigenschaften primär vom Wert T8 abhängen, der durch die Gleichung
TB=MB{R-r)R
ίο definiert ist. Der Wert J8 ist nämlich vorherrschend der Parameter, der die Resonanzfrequenz zwischen dor primären
(unteren) und sekundären (höheren) Isolierfrequenz bestimmt. Eine Erhöhung der Werte für TB verbreitert das
Isolierfrequenzband nahe der primären Frequenz, da die Resonanzfrequenz oberhalb der Primärfrequenz näher an
die sekundäre Frequenz nach oben verschoben wird.
H d'.e Übertragbarkeit oder Durchlässigkeit bei 0.1 oder weniger gehalten werden kann, sich in einem gewissen
Umfang steuern läßt und von etwa 20 auf 30 % zunimmt, indem 7„ von 56 auf 84 kp/cm2 (800 auf 1200 psi) verändert
wird. Eine solche Einstellung ist bei einem Einfachfrequenx-lsoliersystem nicht möglich, das im allgemeinen eine
konstante Abstimmungsbandbreite von etwa 20 bei 25% besitzt.
x> und beträgt
._ Z2 (Λ| — (I
zweiter Ordnung von to2 sind.
er^ndungsgemäßen Ausführungen des Schwingungsiso!iersysicms mit einer Zwerrrequenzisolierung eine Federein-
·'■' richtung zur Kopplung der vibratorischcn Kräfte zwischen einer schwingenden Masse und einem zu isolierenden
Claims (9)
1. Schwingungsisoliervorrichtung zum Verbinden eines Körpers mit einer schwingenden Masse, mit einer
Verbindungseinrichtung, die die schwingende Masse mit dem Körper koppelt, und folgende Merkmale aufweist:
s Einen mit einem ersten Gewicht belasteten Hebelarm, eine erste Schwenkeinrichtung zum schwenkbaren
Verbinden der Masse mit dem Hebelarm an einer ersten Drehstelle, eine zweite Schwenkeinrichtung zum
schwenkbaren Verbinden des Körpers mit dem Hebelarm an einer zweiten Drehslelle und eine erste Federeinrichtung,
die einerseits die Masse gegenüber dem Körper abstützt und andererseits eine erste Nullstelle im
Übertragungsmaß der Schwingungsisoliervorrichtung bei einer bestimmten, ersten Schwingungsfrequeni festge-
lo legt, gekennzeichnet durch ein zweites Gewicht (109. VA. :28. 150). und eine zweite Federeinrichtung (115.
132,152). die das zweite Gewicht (109, Ul. 128, 1*0) federnd mit dem Hebelarm (100. 120.140) verbindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die erste Federeinrichtung eine Torsionsfeder
(52,64) ist, die an ihrem einen Ende mit dem Körper (12) und an ihrem anderen Ende mit dem Hebelarm (100,
120,140) an der zweiten Drehstelle (72) verbunden ist.
15
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Federeinrichtung eine
Torsionsfeder (115) ist, die den Hebelarm (100) mit dem zweiten Gewicht (111) schwenkbar und federnd
verbindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gewicht (128) gegenüber
dem gewichtsbelasleien Hebelarm auf einem sich senkrecht zu diesem erstreckenden und an diesem befestigten
20 Führungszapfen (126) verschiebbar angeordnet ist.
5. Vorrichiung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Federeinrichtung aus einem Paar
von Druckfedern (132) besteht, die das zweite Gewicht (128) in eine miuigc Siciiung gegenüber dem Führungszapfen
(126) drücken.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Federeinrichtung aus einer
25 Blattfeder (152) besteht, die an ihrem einen Ende mit dem Ende des Hebelarmes (140) verbunden ist und die an
ihrem anderen Ende das zweite Gewicht (150) trägt.
7. Vorrichtung nach einem cLr Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als eine einer Vielzahl von
Vorrichtungen zwischen dem Körper (12) und der schwingenden Masse (10) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingende Masse (10)
30 über eine senkrecht zur Schwenkachse des Hebelarmes (100,120,140) verlaufende weitere Drehachse (57) mit
dem Hebelarm verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Drehachse (57) in der ersten
Schwenkeinrichtung (SS. 60) s- jrgesehen ist.
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