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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Schwingungsisolator zum Reduzieren der
Schwingungsübertragung von einem periodisch schwingenden Teil auf eine mit diesem
Teil verbundene Halterung, wobei im Antiresonanzfall im wesentlichen keine Schwingungen
mehr auf die Halterung übertragen werden, mit wenigstens einer zwischen dem schwingenden
Teil und der Halterung wirksamen Feder und mit einer Pendelmasse, die ansprechend
auf die Bewegung des schwingenden Teils unter Zwischenschaltung einer Fluidübertragung
bewegbar ist.
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Der erfindungsgemäße Schwingungsisolator kann überall dort eingesetzt
werden, wo eine periodische Erregung isoliert werden soll. Dies ist insbesondere
der Fall bei Kolbenmaschinen, wie bei Schiffsmotoren, Fahrzeugmotoren, Kolbenverdichtern,
Kolbenpumpen und dergleichen sowie bei Hubschraubern, bei welchen die drehflügelseitigen
Schwingungen nicht auf die Zelle einwirken sollen. In der Regel werden mehrere Isolatoren
zwischen dem periodsich schwingenden Teil und der Halterung zur Isolierung von Schwingungen
mehrerer Freiheitsgrade angeordnet. Die Schwingungen können auch halterungsseitig
eingeleitet werden1 wobei dann das bisher periodisch schwingende Teil die Funktion
der Halterung übernimmt.
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Es sind bereits Antiresonanzkraftisolatoren bekannt, die zwischen
dem Getriebe und der Zelle eines Hubschraubers angeordnet werden können, wobei ihre
Anzahl von der Anzahl der Hauptachsrichtungen abhängt, in denen Schwingungen übertragen
werden. Ein Antiresonanzkraftisolator besteht aus der Parallelschaltung einer Feder
und eines passiven mraftgenerators Die Anordnung ist so abgestimmt, daß lokal eine
Aufhebung der dynamischen Kräfte am zellenseitigen Befestigungspunkt erfolgt, wodurch
eine Isolation
der Zelle gegenüber den rotorseitigen Schwingungen
erreicht wird. Als passiven Kraftgenerator hat man bereits Pendel mit einer mechanischen
Hebelübersetzung verwendet (US-PS 3,322,379). Diese rein mechanischen Kraftisolatoren
benötigen relativ viel Platz, haben einen hohen Schwenklagerverschleiß und sind
technisch nur sehr kompliziert verwirklichbar.
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Der zur Funktion notwendige endliche Abstand zwischen der Federkraft
und der Pendellagerkraft ergibt ein Kräftepaar, welches unter anderem auf der Seite
der Halterung als dynamisches Moment auftritt.
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Dieses Moment ist bei vielen Anwendungen, insbesondere wenn es auf
eine Hubschrauberzelle zur Einwirkung gelangt, unerwünscht.
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Bekannt ist außerdem, zwischen dem schwingenden Teil und der Halterung
einen fluidgefüllten verformbaren Raum anzuordnen, der mit einem Zylinder verbunden
ist, in welchem eine einen Freikolben bildende Masse auf dem Fluid angeordnet ist
(CD-PS 78 18 17, Fig. 6). Dieser bekannte Kraftisolator hat den Nachteil, daß sich
zwischen dem Koblen und dem Zylinder Reibungskräfte sowie aufgrund der Fluidführung
Strömungsverluste einstellen. Dies bedeutet, daß parallel zu dem Isolator ein Dämpfungselement
angeordnet ist, wodurch die Isolationswirkung erheblich verschlechtert wird. Außerdem
verdampft in dem Fluidraum bei zu großen Beschleunigungen Fluid aufgrund der Expansion
während einer Hälfte des periodischen Bewegungsablaufes, wodurch die Wirksamkeit
des Isolators weiter beeinträchtigt wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Schwingungsisolator,
insbesondere Antiresonanzkraftisolator der eingangs beschriebenen Art als praktisch
einsetzbares kompaktes Bauelement auszubilden, das im wesentlichen verschleißfrei
funktioniert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fluidübertragung
aus wenigstens einem primären in Bewegungjsrichtung der Schwingungen verformbaren
Fluidraum und aus wenigstens einem sekundären, ebenfalls in Bewegungsrichtung der
Schwingungen verformbaren Raum besteht, dessen wirksamer Querschnitt kleiner als
der des primären Fluidraums ist, so daß der sekundäre Raum durch das bei der Verformung
des primären Fluidraums verdrängte Fluid entsprechend stärker verformt wird, wodurch
die ihm zugeordnete Pendelmasse beschleunigt wird und die daraus resultierende Trägheitskraft
im Fluid eine Druckänderung bewirkt, die als dynamische Kraft den dynamischen Anteil
der von der Feder auf die Halterung übertragene Federkraft kompensiert.
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Der erfindungsgemäße Schwingungsisolator hat den Vorteil, daß die
Trägheitskraft und die Federkraft auf einer Wirkungslinie liegen und daß eine kompakte
Bauweise hinsichtlich Gewicht und Einbauraum möglich ist erschieißträchtige Lager
werden nicht benötigt.
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Das parallel zur Isolatorfeder angeordnete primäre Fluidraumsystem
läßt auch Relativbewegungen der Federbeestigungspunkte zu, die nicht in der Hauptwirkachse
legen Die Arbeitsweise des errindungsgemäßen Antiresonanzkraftisolators, der eine
hydraulische Übersetzung aufweist, besteht darin, daß der durch eine periodische
Relativbewegung des schwingenden Teils gegenüber der Halterung verursachte Hub des
primären Fluidraums einen um das Verhältnis der wirksamen Querschnitte größeren
Hub des sekundren Raumes hervorruft. Die aus der Beschleunigung der Pendelmasse
resultierende Träßheitskraft erzeugt im Fluid eine Druckänderung, dLg sich als dynamische
Art an dem schwingenden Teil
bzw. an der Halterung bemerkbar macht.
Diese dynamische Kraft wird an der Halterung zur Tilgung des dynamischen Anteils
der von der Isolatorfeder auf die Halterung wirkenden Federkraft benutzt. Bei geeigneter
Abstimmung des Systems wird bei einer bestimmten Erregerfrequenz, der Antiresonanzfrequenz,
im Idealfall mit vorausgesetzter Reibungs- bzw. Dämpfungsfreiheit eine vollständige
Aufhebung der dynamischen Kräfte an der Halterung des Isolators erreicht, also beispielsweise
an der zellenseitigen Befestigung eines Hubschraubers, wenn das schwingende Teil
die getriebeseitige Isolatorbefestigung ist.
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Zweckmäßigerweise ist der sekundäre Raum mit Fluid gefüllt und schließt
sich in Bewegungsrichtung der Schwingungen an den primären Fluidraum an. Bei dieser,
nur einen schmalen Einbauraum erfordernden Ausführung soll zur Vermeidung von Dämpfungen
im Fluid aufgrund von Strömungsverlusten infolge plötzlicher Querschnittsänderung
der Obergang von dem primären Fluidraum in den sekundären, mit Fluid gefüllten Raum
strömungsverlustarm ausgebildet sein, d.h. eine abgerundete Kontur aufweisen.
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Wenn sich der sekundäre Raum innerhalb des primären Fluidraums befindet,
um die Baulänge des Schwingungsisolators weiter zu reduzieren, ist der sekundäre
Raum mit der Umgebungsatmospäre verbunden. Er kann auch abgeschlossen und %{t einem
unter Über- oder Unterdruck stehenden kompressiblen Medium gefüllt sein. Zur weiteren
Verringerung des Raumbedarfs kann der primäre Fluidraum einen verformbaren Abschnitt
und einen starren Abschnitt aufweisen, der gegenüber dem verformbaren Abschnitt
auch einen kleineren Querschnitt haben kann und unter Bildung eines fluidgefüllten
Ringraumes wenigstens einen Teil des -sekundSren Raums umschließt.
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Um zu vermeiden, daß in dem gewöhnlich aus einer Flüssigkeit geringer
Viskosität, wie einem Wasser-Alkohol=Gwmisch, bestehenden Fluid ein Umterdnterdruck
entsteht, der zu einer Vergrößerung des Gesamtvolumens der Fluidraumanordnung undj@damit
zu einer Beeinrrächtigung der Funktionsweise führen kann, wird ein pendelmsasse
und an der Ealterung bzw. am schwingenden Teil angreitende, aur Flülddruckerhöhung
vorgespannte Feder vorgesehen, deren Vorspannung so bemessen ist, daß in Betrieb
keine Vergrößerung des gesamten Fluidvolumens ergibt.
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Eine Alternative zur Vermeidung eines Unterdrucks vesteht darin,
daßein zweites, einen primären Fluidraum und einen sekundären Raum aufweisendes
System vorgesehen wird, webei die primären Fluidräume und sekundären Räume des ersten
und zweiten Systemtems durch Verbindungsglieder steif kmiteinander gekoppelt sind,
und gemeinsam die Fendelnasse beschleunigen, und das Volumen des einen sekundären
Raums verkleinert größert wird während sich die Volumina der primären Fluidräume
umgekehrt verhalten. Das Verbindungsglied der sekundären Raume kann dabei eine die
Pendelmasse, tragende, die sekundären Räume durxhsetzende Stasnge sein. Eine weitere
Variante wird noch bei der Zeichnungsbveschreibung angegeben.
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In der praktischen technischen Ausführung können der primäre Fluidraum
und der sekundäre Raum zylindrische, in ihrer Axialrichtung reibungsarm verformbare
gewellte Metallbälge oder Membranbälge sein.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
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Es zeigt: Fiq. l im Iaängsschnitt schematisch eine erste Ansführungsform
eines erfindungsgemäßen Antiresonanzkraftisolators; Fig. 2 in einer Ansicht wie
Fig. 1 eine Modifizierung dieser Ausführungsform; Fig.3 im Längsschnitt eine zweite
Ausführungsform eines Antriresonanzkraftisolators; Eig. 4 in einer Ansicht wie Fig
3 eine Modifizierung dieser Ausführungsform; und Fig. 5 eine weitere Medifizkierung.
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Die in den Fiq. t bis 5 gezeigten Antiresonanzkraftisolatoren haben
jeweils einen Teil 1 für das Einleiten der Schwingung, das beispielsweise der getriebeseitige
Befestigungspunkt des Isolators bei einem Hubschrauber cein kann. Das schwingende
Teil t ist über eine Isolatorfeder 2 mit einer Halterung 4 verbunden, bei der es
sich beim Anbringen in einem Hubschrauber um einen zellenseitiqen Befestigunqspunkt
handelt.
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Selbstverständlich können die Schwingungen auch über die Halterung
4 eingeleitet werden. In diesem Fall übernimmt dann Teil 1 die Funktion der Halterung.
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Die Isolatorfeder besteht bei dem gezeigten Ausfürungsbeispiel aus
einer Ringfeder aus glasfaservrstärktem Kunststoff. Es können jedoch auch Blattfedern,
Schraubenfedern oder andere Federelemente verwendet werden.
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Gegebenenfalls kann die Isolatorfeder entfallen, wenn die Eigensteifigkeit
des im folgenden beschriebenen Systems der verformbaren Räume ausreichend ist.
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parallel zu der Isolatorfeder 2 ist ein System von einem oder zwei
primären Fluidräumen 3 angfeordner,gewel die aus zylindrischen, in Axialrichtunq
verformbaren Metall- balgen oder Membrälgen bestehen. Ein System mit einem oder
zwei
sekundären verformbaren Räumen 5, die ebenfalls aus metall- oder jMembranbalgen
(teilw@@se in Fig. 1 dargestellt)bestehen, und deren Querschnitt kleiner als der
der primären Fluidräume 3 ist, ist In Fig. 1 bkis 4 in Axialrichtugn durch ein reibungsarmes
Lager 8, das beispielsweise aus einer Kugelbüchse bestehen kann, geführt. Am freien
Ende des Sekundäre balgsystems ist eine Pendelmasse 9 befestigt, die zur Feinabstimmung
aus mehreren Scheiben bestehen kann.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform geht der Fluidraum des
primären Balgs 3 über eine abgerundete Ringkante in den ebenfalls mit Fluid gefüllten
Innenraum des sekundären Balgs 5 über. Der sekundäre Balg ist an seinem freien Ende
mit einem Verbindangselement 6 verbunden, das aus einer den Balg mit Spiel umgebenden
Büchse besteht, an der das eine Ende einer Feder 7 anliegt, deren anderes Ende an
einem Innenflansch der Halterung 4 oberhalb des Lagers 8 so angreift, daß die Pendelmasse
9 in die gezeigte Ruhestellung vorgespannt ist. Die Federvorspannung ist so bemessen,
daß sich im Betrieb des Isolators im Fluidraum-keine Volumenvergrößerung einstellt.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführ'ungsform befindet sich der sekundäre
Balg 5 im Inneren des dem primären Balg 3 zugeordneten Fluidraums. Der Innenraum
des sekundären Balgs ist an seiner halterungsseitigen Stirnseite mit der Atmosphäre
verbunden. Der dem primären Balg 3 zugeordnete Fluidraum besteht aus einem ersten,
axial verformbaren Abschnitt und aus einem zweiten starren vschnitt, dessen Querschnitt
zur Raumeinsparung gegenüber dem des ersten verformbaren Abschnitts verringert ist.
De: starre Abschnitt umschließt einen Teil des sekmdAren Balges 5, , wobei der dazwischen
verbleibende Ringraum mit Fluid gefüllt ist, das mit dem Innenraum des primären
Balges 3 in Verbindung steht. Das Ver-6 6 besteht aus einer stangen an aus
die
Pendelmasse 9 hängt, die in einem halterung seitigen Lager 8 geführt ist und an
der Stirnseite des sekundären Balges 5 befestigt ist, die sich im Inneren des primären
Balges 3 befindet. Die Feder 7 ist zwischen einem Bund an der Stange 6 im Inneren
des mit der Atmosphäre verbundenen Innenraums des sekundären Balges 5 und der Halterung
4 angeordnet.
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Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen eines Antiresonanzkraftisolators
arbeiten folgendermaßen: Wenn die Isolatorfeder zusammengedrückt wird, verringert
sich das Volumen des primären Balges 3. Der sekundäre Balg 5 wird bei der Ausführungsform
von Fig. 1 auseinandergedrückt, bei der Ausführungsform von Fig. 2 zusammengesdhoben.
Dabei bewegt sich die Pendelmasse 9, die über das Verbindungsglied 6 mit dem unteren
(Fig. 1) bzw. oberen (Fig. 2) Ende des sekundären Balges 5 verbunden ist, nach unten.
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Je näher die Pendelmasse 9 dem unteren toten Punkt des periodischen
Bewegungsablaufes kommt, desto stärker wird die Pendelmasse 9 abgebremst, d h. desto
größer wird die nach unten gerichtete, auf die Masse wirkende Trägheitskraft. Diese
Trägheitskraft ruft innerhalb des Balgsystems eine Druckabsenkung hervor.
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Daraus resultiert eine nach oben gerichtete Kraft auf die Halterung
4. Der dynamische Anteil der Kraft, die die Isolatorfeder 2 auf die Halterung 4
ausübt, ist zu diesem Zeitpunkt nach unten gerichtet. Bei geeigneter Isolatorabstimmung
ist für eine bestimmte Erregerfrequenz, die Antiresonanzfrequenz, die Summe der
an der Halterung 4 angreifenden dynamischen Kräfte gleich Null, d.h. die Halterung
4 bleibt gegenüber dem schwingenden Teil 1 in Ruhe. Die Vorspannung der Feder 7
ist so gewählt, daß in der betrachteten Phase des Bewegungsablaufs keine Vergrößerung
des Gesamtvolumens des Balgsystems erzeugt wird. Wenn die auftretenden
Trärgheitskräfte
genügend klein sind, ana die Weder 7 entfallen. Die Feder 7 kann bei den Ausführungsformen
nach Fig. 1 und 2 auch dann entfallen, wenn die Funtion dieser Feder von einem kompresiblen
Medium im sekundären Raum 5 nach Fig. 2 oder in einem den sekundären Raum 5 von
Fig. 1 umschließenden abgeschlossenen Mantei (nicht dargestellt) obernommen wird.
Die Fkeder 7 oder die entsprechende gasfederung ermöglicht gegebenenfalls den Wegfall
der Isolatorfeder 2.
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Bei n den in den Fig. 3 und n gezeigten Ausführungs normen des Antiresonanzkraftiselators
ist ein doppeltes Balgsystem vorgesehen. Jedes Balgsystem der ausfühhungsform von
Fig. 3 entspricht dem Baigsystem von Fig. 1, jedes Balgsystem der Ausführungsform
von Fig. 4 entspricht dem Balgsystem von Fig. 2. Bei diesen Ausführungsformen sind
die primären Balge 3 durch ein Verbindungsglied 10 steif miteinander verbunden,
während die steife Verbindung der sekundären Balge 5 aus einer sie durchsetzenden
Verbindungsstange 6 besteht, an der die Pendelmasse 9 sitzt.
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Wenn die Isolatorfeder 2 bei den Ausführungsformen der Antiresonanzkraftisolatoren
der Fig. 3 und 4 zusammengedrückt wird, verringert sich das Volumen des oberen primären
Balges 3. Da das obere Ende des oberen primären Balges 3 über das Verbindungsglied
10 mit dem unteren Ende des unteren primären Balges 3 verbunden ist, vergrößert
sich das Volumen des unteren primären Balgs 3 um den gleichen Betrag. Damit wird
der obere sekundäre Balg 5 bei der Ausführungsform von Fig. 3 auseinandergedrückt,
bei der Ausführungsform von Fig. 4 komprimiert, während der untere sekundäre Balg
5 bei der Ausführungsform von Fig. 3 zusammengeschoben, bei der Ausführung form
von Fig. 4 auseinandergeschoben wird. Die Verbindungsstange 6, die mit den beiden
sekundären Balgen 5
verbunden ist, bewegt sich mit der Pendelmasse
9 nach oben. Je weiter sich die Pendelmasse dem oberen toten Punkt nähert, desto
stärker wird sie abgebremst. Die sich daraus ergebende, nach oben gerichtete TrAgheitskraft
nimmt zu. Dabei erhöht sich der Druck im unteren Balgsystem bzw. verringert sich
der Druck im oberen Balgsystem. Aus diesen Druckänderungen resultiert eine nach
oben gerichtete Kraft auf die Halterung 4. Die Kraft, die von der Isolatorfeder
2 auf die Halterung S ausgeübt wird, ist zu diesem Zeitpunkt nach unten gerichtet.
Bei geeigneter Abstimmung heben sich für eine bestimmte Erregerfrequenz, nämlich
die Antiresonanzfrequenz, beide Kräfte gegenseitig auf, d.h. die Halterung 4 bleibt
gegenüber dem schwingenden Teil 1 in Ruhe. Das Doppelbalgsystem gewährleistet, daß
zu jedem Zeitpunkt des periodischen Bewegungsablaufes in einem der beiden Balgsysteme
eine Druckerhöhung stattfindet, so daß eine Volumenvergrößerung in keinem der beiden
Systeme aurtreten kann. Eine Kompensation der Wärmeausdehnung des Eluids kann z.B.
über eine Drosselbohrung und einen kleinen sich daran anschließenden Balg vorgenommen
werden. (nicht dargestellt).
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Bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 kann die Isolatorfeder
2 entfallen, wenn deren Funktion durch entsprechende Gasfederung übernommen wird,
die durch ein kompressibles Medium erreicht wird, das sich bei Fig. 3 in einem wenigstens
einen der sekundären Räume 5 umschließenden abgeschlossenen Mantel oder bei Fig.
4 in wenigstens einem der sekundären Räume 5 befindet.
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Die in Fig. 5 dargestelle Anordnung arbeitet prizipiell ähnlich wie
die in dem Big. 3 und 4 dargestellten: wenn die Isolatorfeder 2 zusammengedrückt
wird, verringert sich das Volumen des oberen primären Balges 3. Da dessen oberes
Ende über das Verbindungsglied 10 mit dem unteren Ende des unteren primären Balges
9 verbunden ist, vergrößert
sich das Volumen dieses Balges 3 um
den gleichen Betragt Damit wird der zur oeide Systeme gemeinsame sesekundäre Balg
5 auseinandergeschoben, und die hier mit dem unteren Ende des sekundären Balges
5 direkt verbundene Pendelmasse 9 bewegt sich nach unten. Je weiter sich die Pendelmasse
9 dem unteren toten Punkt nähert, desto stärker wird sie abgebremst. Die sich daraus
ergebende nach unten gerichtete Trägheitskraft nimmt zu.
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Die weiteren Vorgänge entsprechen den in den Fig. 3 u. 4 beschriebenen.
Die zuletzt beschriebene Anordnung (nach Fig. 5) benötigt insbesondere einen Balg
weniger als die nach den Fig. 3 und 4.
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L e e r s e i t e