DE2907926C2 - Schwingungsisolator - Google Patents

Schwingungsisolator

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsisolator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.
Derartige Schwingungsisolatoren können überall dort eingesetzt werden, wo eine periodische Erregung isoliert werden soll. Dies ist insbesondere der Fail bei Kolbenmaschinen, wie bei Schiffsmotoren, Fahrzeugmotoren, Kolbenverdichtern, Kolbenpumpen und dgl, sowie bei Hubschraubern, bei welchen die drehflügelseitigen Schwingungen nicht auf die Zelle einwirken sollen. In der Regel werden mehrere Isolatoren zwischen dem periodisch schwingenden Teil und der Halterung zur Isolierung von Schwingungen mehrerer Freiheitsgrade angeordnet. Die Schwingungen können auch halterungsseitig eingeleitet werden, wobei dann das bisher perdiosich schwingende Teil die Funktion der Halterung übernimmt.
Es sind bereits Schwingungsisolatoren bekannt, die zwischen dem Getriebe und der Zelle eines Hubschraubers angeordnet werden, wobei ihre Anzahl von der Anzahl der erforderlichen Isolationsfreiheitsgrade abhängt.
Ein derartiger Schwingungsisolator besteht aus der Parallelschaltung einer Feder und eines passiven Kraftgenerators. Die Anordnung ist so abgestimmt, daß lokal eine Aufhebung der dynamischen Kraftanteile am zellenseitigen Befestigungspunkt erfolgt, so daß im Antiresonanzfall im wesentlichen keine Schwingungen mehr von der Rotorseite auf die Zelle übertragen werden. Als passiver Kraftgenerator wurden bereits Pendel mit einer mechanischen Hebelübersetzung verwendet (US-PS 33 22 379). Diese rein mechanischen Schwingungsisolatoren benötigen relativ viel Platz, haben einen hohen Schwenklagerverschleiß und sind technisch nur sehr kompliziert zu verwirklichen. Der funktionsnotwendige, endliche Abstand zwischen der Federkraft und der Pendellagerkraft ergibt ein Kräftepaar, welches u. a. auf der Seite der Halterung als dynamisches Moment auftritt, welches in vielen Anwendungen, insbesondere
wenn es auf eine Hubschrauberzelle zur Einwirkung gelangt, höchst unerwünscht ist
Bekannt sind außerdem Schwingungsisolatoren der eingangs genannten Art (CA-PS 7 81 817), bei denen anstelle einer mechanischen Hebelübersetzung eine hydraulische Übertragungseinrichtung vorgesehen ist, weiche aus einem mit Flüssigkeit gefüllten, verformbaren Primärraum zwischen dem schwingenden Teil und der Halterung sowie einem mit dem Primärraum verbundenen, sekunderen Flüssigkeitsraum in Form eines Zylinders besteht, in welchem eine einen Freikolben bildende Pendelmasse auf der Flüssigkeit angeordnet ist. Bei diesem bekannten Schwingungsisolator ergeben sich jedoch zwischen dem Kolben und dem Zylinder Reibungskräfte sowie aufgrund der Flüssigkeitsführung Strömungsveriuste, was zur Folge hat, daß parallel zu dem Isolator eine Dämpfung vorhanden ist, durch die die Isolationswirkung erheblich verschlechtert wird. Vor allem aber bilden sich in der Flüssigkeitsübertragungseinrichtung bei größeren Beschleunigungen aufgrund der Expansion während einer Hälfte des periodischen Bewegungsablaufes Kavitationäräurne, wodurch die kinematische Zwangskoppelung zwischen dem schwingenden Teil und der Pendelmasse unterbrochen und die Wirksamkeit des Isolators erheblich beeinträchtigt wird, und außerdem werden auch bei diesem bekannten Isolator die dynamischen Kraftanteile wiederum als momenterzeugendes Kräftepaar in die Halterung eingeleitet
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingungsisolator der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch unter extremen Einsatzbedingungen funktionssicher arbeitet
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 bzw. 2 gekennzeichneten Schwingungsisolator gelöst
Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungsisolator gemäß Anspruch 1 wird durch eine Flüssigkeitsdruckerhöhung in der Übertragungseinrichtung bewirkende Feder verhindert, daß es während des Expansionshubs der Pendelmasse in den Flüssigkeits-Teilräumen zu einer so starken Druckabsenkung kommt, daß sich eine Vergrößerung des Gesamtvolumens beider Teilräume und damit eine Beeinträchtigung der Funktionsweise ergibt.
Auch bei dem erfindungsgemäßen Schwingungsisolator gemäß Anspruch 2 wird aufgrund der Verdoppelung der Flüssigke'itsübertragungseinrichtung und der starren Verbindung einander entsprechender Teilräume eine kavitationsfreie Funktionsweise dadurch garantiert, daß in jeder Betriebsphase in einer der Übertragungseinrichtungen ein Überdruck herrscht, durch den mittels der starren, also bewegungsschlüssigen Teilraum-Verbindung verhindert wird, daß der Flüssigkeitsdruck in der jeweils anderen, in der Unterdruckphase befindlichen Flüssigkeitsübertragungseinrichtung auf einen Wert absinkt, bei dem die funktionsnotwendige, kinematische Zwangskoppelung zwischen der Pendelmasse und dem schwingenden Teil etwa infolge einer Dampfblasenbildung im Flüssigkeitsraum verlorengeht.
Aus Platzgründen sind in diesem Fall die sekundären Teilräume der beiden Flüssigkeitsübertragungseinrichtungen gemäß Anspruch 3 zweckmäßigerweise durch eine diese durchsetzende, die Pendelmasse tragende Stange starr miteinander gekoppelt. Nach einer anderen, ebenfalls sehr platzsparenden Variante gemäß Anspruch 4 sind die «eidcn sekundären Teilräume über einen gemeinsamen, beweglichen Wandabschnitt miteinander gekoppelt.
Ein weiterer, für die Erhöhung der Funktionssicherheit wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in einer möglichst dämpfungsarmen Ausbildung des Schwingungsisolators. Zu diesem Zweck sind zum einen die Teilräume gemäß Anspruch 5 jeweils mit elastisch verformbaren Wandabschnitten versehen, die gemäß Anspruch 6 aus zylindrischen, in Axialrichtung reibungsarm verformbaren Metall- oder Membranbälgen bestehen, und zum anderen sind die Übergänge zwischen
ίο dem primären und dem sekundären Teilraum gemäß Anspruch 8 möglichst strömungsverlustarm ausgebildet, um Dämpfungen in der Flüssigkeit selbst aufgrund von plötzlichen Querschnittsänderungen oder dgl. zu vermeiden.
is In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die eingangs erwähnte, dynamische Momentenbelastung der Halterung gemäß Anspruch 9 dadurch ausgeschaltet, daß der bzw. die primären Teilräume koaxial zur Wirkungslinie der Federanordnung angeordnet sind, wobei in diesem Fall gemäß Anspruch 10 die primären und sekundären Teilräume zwecfcnäßigerweise ebenfalls koaxial zueinander und auch zur ßewegungsünie der Pendelmasse angeordnet sind, wodurch eine äußerst platzsparende Bauweise garantiert und dynamisehe, aus der Bewegung der Pendelmasse resultierende Erregermomente auf einfache Weise vermieden werden.
Um die Anzahl der Bauelemente zu reduzieren und dadurch gleichfalls die Funktionssicherheit zu erhöhen, werden schließlich die gemäß Anspruch 6 vorgesehenen Metall oder Membranbälge selbst federnd ausgebildet, so daß auf gesonderte Federelemente verzichtet werden kann, und/oder der sekundäre Teilraum wird gemäß Anspruch 11 als zumindest teilweise vom primären Teilraum umgrenzter Ringraum ausgebildet und der von diesem umschlossene Hohlraum mit einem kompressiblen, die Federelemente wirkungsmäßig ersetzenden Medium gefüllt
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung b^ispielsweise näher erläutert, es zeigt
F i g. 1 im Längsschnitt schematisch eine erste Ausführun^sform eines Schwingungsisolators;
F i g. 2 in einer Ansicht wie F i g. 1 eine Modifizierung dieser Ausführungsform;
F i g. 3 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform eines Schwingungsisolators;
F i g. 4 in einer Ansicht wie F i g. 3 eine Modifizierung dieser Ausführungsform; und
F i g. 5 eine weitere Modifizierung der Ausführungsform nach F i g. 3.
Die in den F i g. 1 bis 5 gezeigten Schwingungsisolatoren haben jeweils einen Teil 1 für das Einleiten der Schwingung, das beispielsweise der getriebeseitige Befestif ung^p^nkt des Isolators bei einem Hubschrauber sein kann. Das schwingende Teil 1 ist über eine Isolatorfeder 2 mit einer Halterung 4 verbunden, bei der es sich beim Anbringen in einem Hubschrauber um einen zellenseitigen Befestigungspunkt handelt. Selbstverständlich können die Schwingungen auch über die Halterung 4 eingeleitet werden. In diesem Fall übernimmt dann Teil 1 die Funktion der Halterung. Die Isolatorfeder 2 besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Ringfeder aus glasverstärktem Kunststoif. Es können jedoch auch Blattfedern, Schraubenfedern, oder andere Federelemente verwendet werden. Gegebenenfalls kann die lsolatorfecfer entfallen, wenn die Eigensteifigkeit des im folgenden beschriebenen Systems der volumenveränderlichen Teilräume ausreichend ist.
Wirkungsparallel zu der Isolatorfedcr 2 ist eine Flüssigkeitsübertragungseinrichtung angeordnet, die einen oder zwei primäre Teilräume 3, welche aus zylindrischen, in Axialrichtung elastisch verformbaren, gewellten Metall- oder Membranbälgen bestehen, sowie einen oder zwei sekundäre, ebenfalls volumenveränderliche Teilräume 5 enthält, welche gleichfalls aus Metall- oder Membranbälgen bestehen und deren Querschnitt kleiner als der der primären Teilräume 3 ist. Das Sekundärbalgsystem ist gemäß den Fig. 1 bis 4 in Axialrichtung durch ein reibungsarmes Lager 8, das beispielsweise aus einer Kugelbüchse bestehen kann, geführt, und an seinem freien Ende ist eine Pendelmasse 9 befestigt, die zur Feinabstimmung aus mehreren Scheiben besteht.
Bei der in Fig. t gezeigten Ausführungsform geht der Teilraum 3 des primären Balgs über eine abgerundete Ringkante in den Innenraum des sekundären Teilraums 5 über. Dieser ist an seinem freien Ende mil einem Verbindungselement 6 verbunden, das aus einer ilen 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 Federspannung ist so bemessen, daß sich im Betrieb des Isolators in der Flüssigkeitsübertragungseinrichtung keine Volumenvergrößerung einstellt.
Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform befindet sich der sekundäre Teilraum 5 im Inneren des primären Teilraums 3. Der vom sekundären Teilraum 5 umschlossene Hohlraum 11 ist an seiner halterungsseitigen Stirnseite mit der Atmosphäre verbunden. Der primäre Teilraum 3 besteht aus einem ersten, axial verformbaren Abschnitt und aus einem zweiten starren Abschnitt, dessen Querschnitt zur Raumeinsparung gegenüber dem des ersten verformbaren Abschnitts verringert ist. Der starre Abschnitt umschließt einen Teii des sekundären Teilraums 5. wobei der dazwischen verbleibende, mit Flüssigkeit gefüllte Ringraum mit dem Innenraum des primären Teüraums 3 in Verbindung steht. Das Verbindungselement 6 besteht aus einer Stange, an der die Pendelmasse 9 hängt, die in einem halterungsseitigen Lager 8 geführt ist und an der Stirnseite des sekundären Teilraums 5 befestigt ist. die sich im Inneren des primären Teilraums 3 befindet. Die Feder 7 ist zwischen einem Bund an der Stange 6 im Inneren des mit der Atmosphäre verbundenen Hohlraums 11 des sekundären Teilraums 5 und der Halterung 4 angeordnet.
Die in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen eines Schwingungsisolators arbeiten folgendermaßen: Wenn die Isolatorfeder zusammengedrückt wird, verringert sich das Volumen des primären Teilraums 3. Der sekundäre Teilraum 5 wird bei der Ausführungsform von Fig.! auseinandergedrückt, bei der Ausführungsform von F i g. 2 zusammengeschoben. Dabei bewegt sich die Pendelmasse 9. die über das Verbindungsglied 6 mit dem unteren (Fig. 1) bzw. oberen (Fig. 2) Ende des sekundären Teilraums 5 verbunden ist, nach unten. 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. 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 jeder betrachteten Phase des Bewegungsablaufes keine Vergrößerung des Gesamtvolumens des Balgsystems erzeugt wird. Die Feder 7 kann bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2
ίο dann entfallen, wenn die Funktion dieser Feder von einem kompressiblen Medium im Hohlraum 11 nach F i g. 2 oder in einem den sekundären Raum 5 von F i g. 1 umschließenden abgeschlossenen Mantel (nicht dargestellt) übernommen wird. Die Feder 7 oder die entsprechende Gasfederung ermöglicht gegebenenfalls den Wegfall der Isolatorfeder 2.
Bei den in den F i g. 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen des Schwingungsisolators ist ein doppeltes Flüssigkeitsubertragungssysiem vorgesehen, jedes Ubcrtragungssystem der Ausführungsform von F i g. 3 entspricht dem Übertragungssystem von Fig. 1. jedes Übertragungssystem der Ausführungsform von Fig.4 entspricht dem Übertragungssystem von Fig.2. Bei diesen Ausführungsformen sind die primären Teilräume 3 durch ein Verbindungsglied 10 steif miteinander verbunden, während die stiefe Verbindung der sekundären Teilräume 5 aus einer sie durchsetzenden Verbindungsstange ο besteht, an der die Pendelmasse 9 sitzt.
Wenn die Isolatorfeder 2 bei den Ausführungsformen der Schwingungsisolatoren der F i g. 3 und 4 zusammengedrückt wird, verringert sich das Volumen des oberen primären Teilraums 3. Da das obere Ende des oberen primären Teilraums 3 über das Verbindungsglied 10 mit dem unteren Ende des unteren primären Teilraums 3 verbunden ist, vergrößert sich das Volumen des unteren primären Teilraums 3 um den gleichen Betrag. Damit wird der obere sekundäre Teüraurr. 5 bei der Ausführungsform von F i g. 3 auseinandergedrückt, bei der Ausführungsform von F i g. 4 komprimiert, während der untere sekundäre Teilraum 5 bei der Ausführungsform von F i g. 3 zusammengeschoben, bei der Ausführungsform von Fig.4 auseinandergeschoben wird. Die Verbindungsstange 6, die mit den beiden sekundären Teilräumen 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 Trägheitskraft nimmt zu. Dabei erhöht sich der Druck im unteren Balgsystem bzw. verringert sich der Druck im oberen Balgsystem. Aus diesen Druckändprungen resultiert eine nach oben gerichtete Kraft auf die Halterung 4. Die Kraft, die von der Isolatorfeder 2 auf die Halterung 4 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 einer der beiden Fiüssigkeitsübertragungseinrichtungen eine Druckerhöhung stattfindet, so daß eine Volumenvergrößerung in keiner der beiden Einrichtungen auftreten kann. Eine Kompensation der Wärmeausdehnung der Flüssigkeit kann z. B. über eine Drosselbohrung und einen kleinen sich daran anschließender. Balg vorgenommen werden (nicht dargestellt).
Bei den Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 kann die Isolatorfeder 2 entfallen, wenn deren Funktion durch
entsprechende Gasfederung übernommen wird, die durch ein kompressibles Medium erreicht wird, d;is sich bei F i g. 3 in einem wenigstens einen der sekundären Teilräume 5 umschließenden abgeschlossenen Mantel oder bei F i g. 4 in wenigstens einem der Hohlräume 11 befindet.
Die in F i g. 5 dargestellte Anordnung arbeitet prinzipiell ähnlich wie die in den F i g. 3 und 4 dargestellten: wenn die >-olatorfedcr 2 zusammengedrückt wird, verringert sich das Volumen des oberen primären Teilraums 3. Da dessen oberes Ende über das Verbindungsglied 10 mit dem unteren Ende des unteren primären Teilraums 3 verbunden ist. vergrößert sich das Volumen dieses Balges 3 um den gleichen Betrag. Damit wird der in diesem Fall für beide Einrichtungen gemeinsame sekundäre Teilraum 5 auseinandergeschoben, und die hier mit dem unteren Ende des sekundären Balges 5 direkt verbundene Pendelmasse 9 bewegt sich nach unten. Jc weiter sich die Pendelmassc 9 dem unteren toten Punkt nähen, desiö stärker wird sie abgebremst. Die sich dar ;;; aus ergebende, nach unten gerichtete Trägheitskraft nimmt zu. Die weiteren Vorgänge entsprechen den in den Fig.3 und 4 beschriebenen. Die Anordnung nach F i g. 5 benötigt einen Balg weniger als die nach den F i g. 3 und 4.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
30
35
40
45
55
60
65

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Schwingungsisolator zum Reduzieren der Schwingungsübertragung von einem periodisch schwingenden Teil auf eine mit diesem Teil verbundene Halterung mit wenigstens einer zwischen dem schwingenden Teil und der Halterung wirksamen Federanordnung und mit einer'Pendelmasse, die mit dem schwingenden Teil unter Zwischenschaltung einer Flüssigkeitsübertragungseinrichtung kinematisch gekoppelt ist, welche aus wenigstens einem primären, in Bewegungsrichtung der Schwingungen volumenveränderlichen Teilraum und aus wenigstens einem ebenfalls volumenveränderlichen, von der aus dem primären Teilraum verdrängten Flüssigkeit beaufschlagten, sekundären Teilraum besteht, dessen wirksame Querschnittsfläche kleiner als die des primären Teilraumes ist, dadurchgekennzeichnet, daß eine zwischen der Pendelmasse (9) und der Halterung (4) bzw. dem schwingenden Teil (1) zur Erhöhung des statischen Flüssigkeitsdrucks wirksame Feder (7) vorgesehen ist, deren Federspannung so bemessen ist, daß sich im Betrieb keine Vergrößerung des Gesamtvolumens beider Teilraume (3,5) ergibt.
    2. Schwingungsisolator zum Reduzieren der Schwingungsübertragung von einem periodisch schwingenden Teil auf eine mit diesem Teil verbundene Halterung mit wenigstens einer zwischen dem schwingenden Teil und der Halterung wirksamen Federanordnung und>nit eine Pendelmasse, die mit dem schwingenden Teil unter Zwischenschaltung einer Flüssigkeitsübertragungs·- ;nrichtung kinematisch gekoppelt ist, welche aus wenigstens einem primären, in Bewegungsrichtung der Schwingungen volumenveränderlichen Teilraum und aus wenigstens einem ebenfalls volumenveränderlichen, von der aus dem primären Teilraum verdrängten Flüssigkeit beaufschlagten, sekundären Teilraum besteht, dessen wirksame Querschnittsfläche kleiner als die des primären Teilraumes ist, dadurch gekenozeichnet, daß eine weitere, aus zwei Teilräumen (3,5) bestehende Flüssigkeitsübertragungseinrichtung vorgesehen ist, wobei die primären Teilraume (3) und die Sekundären Teilräume (5) der ersten und der zweiten Einrichtung jeweils starr miteinander gekoppelt sind, derart, daß die entsprechenden Teilraume beider Einrichtungen ihre Volumina in entgegengesetzter Richtung ändern, so daß sich im Betrieb keine Vergrößerung des Gesamtvolumens der Flüssigkeitsübertragungseinrichtungen ergibt.
    3. Schwingungsisolator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Teilräume (5) durch ein diese durchsetzendes, die Pendelmasse (9) tragendes Verbindungselement (6) starr miteinander gekoppelt sind.
    4. Schwingungsisolator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sekundären Teilräume (5) durch einen gemeinsamen, beweglichen Wandabschnitt begrenzt sind (F i g. 5).
    5. Schwingungsisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilraume (3, 5) jeweils elastisch verformbare Wandabschnitte aufweisen.
    b. Schwingungsisolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilraume (3,5) durch zylindrische, in Axialrichtung reibungsarm verformbare
    Metall oder Membranbälge gebildet sind.
    7. Schwingungsisolator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall- oder Membranbälge als Federanordnung wirkend ausgebildet sind.
    8. Schwingungsisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Obergang zwischen dem primären (3) und dem sekundären Teilraum (5) strömungsverhästarm ausgebildet ist.
    9. Schwingungsisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die primären Teilräume (3) koaxial zur Wirkungslinie der Federanordnung (2) angeordnet sind.
    10. Schwingungsisolator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die primären und sekundären Teilraume (3, 5) koaxial zueinander und zur Bewegungslinie der Pendelmasse (9) angeordnet sind.
    11. Schwingungsisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Teüraum (5) als zumindest teilweise vom primären Teilraum (3) umgrenzter Ringraum ausgebildet und der von diesem umschlossenen Hohlraum (11) mit einem kompressiblen, als Federanordnung wirkenden Medium gefüllt ist.
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