DE3119388C2

DE3119388C2 - Vorrichtung zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen

Info

Publication number: DE3119388C2
Application number: DE19813119388
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Moser Peter Dipl-Ing (eth) 8305 Dietlikon Ch
Current assignee: Moser Peter Dipl-Ing (eth) 8305 Dietlikon Ch
Priority date: 1981-05-08
Filing date: 1981-05-15
Publication date: 1983-07-21
Also published as: DE3119388A1; JPS57186652A

Abstract

Der Zusatzrotor (1) rotiert um seine Rotationsachse (2), die ihrerseits in einem mit der Welle (13, 14) der mehrzylindrigen Kolbenmaschine umlaufenden Lagergestell (10) gelagert ist; die Rotation um die Rotationsachse (2) wird durch einen auf einem festen Zahnkranz (22) abrollenden Antrieb bewirkt. Infolge der Rotation um die Rotationsachse (2) erzeugt der Zusatzrotor (1) aufgrund der Coriolis-Kraft ein in seiner Richtung wechselndes Drehmoment, dessen Größe durch die Masse und den Abstand der Schwerpunkte (3) des Zusatzrotors (1) von seiner Rotationsachse (2) bestimmt ist. Das Übersetzungsverhältnis des Antriebes des Zusatzrotors (1) für eine Rotation um die Rotationsachse (2) ist so gewählt, daß es der halben Ordnungszahl einer zu unterdrückenden Ordnung der Torsionsschwingung entspricht. Die Unterdrückung der Schwingung erfolgt dadurch, daß die Drehmomente der Coriolis-Kraft und der Torsionsschwingungsordnung in Gegenphase zueinander liegen. Durch die neue Vorrichtung wird die Laufruhe von Kolbenmaschinen - insbesondere von solchen mit relativ niedrigen Zylinderzahlen - verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen, die sich der Rotation einer Welle beschleunigend oder bremsend überlagern, ohne mit dem rotierenden System in Resonanz zu kommen.

Bei Anlagen, bei denen eine Kolbenmaschine, beispielsweise ein Dieselmotor, als Antriebsmaschine verwendet wird, treten bekanntlich Torsionsschwingungen auf, die während der Betriebsdrehzahl ?ußerhalb der Resonanzfrequenzen des Systems aus Antriebs- und Arbeitsmaschine liegen. Diese Torsionsschwingungen, die beispielsweise zu FFequenzsehwankungen in einem als Arbeitsmaschine angetriebenen Generator führen, treten vor allem bei Motoren mit relativ geringer Zylinderzahl auf. Wird ein solcher Dieselmotor andererseits als Schiffsantrieb verwendet, so können sich diese Torsionsschwingungen auf den Schiffskörper übertragen und zu unerwünschten Vibrationen des Schiffes führen.

Eine Analyse der als Drehmomentschwankungen an der Welle auftretenden Schwingungen zeigt, daß bei diesen Torsionsschwingungen die Schwingung einer 5 Ordnung sehr häufig besonders bevorzugt auftritt; so wird beispielsweise bei einem 4-ZyIinder-Zweitaktmotor als Antrieb von der Torsionsschwingung der vierten Ordnung bis zu 90% der Drehmomentschwankung erzeugt Durch ein Unterdrücken der Schwingung

ίο vierter Ordnung kann die Laufruhe eines solchen Motors also erheblich verbessert werden.

Es sind bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt (siehe z. B. CH 4 01 627), bei denen bei Drehmomentschwankungen elastische Elemente, z. B.

Federn, überschüssige Schwsngungsenergie aufnehmen, als potentielle Energie speichern und zum Ausgleich eines Defizits wieder an die Welle abgeben. Diese Konstruktionen haben den grundsätzlichen Nachteil, daß das bei ihnen durch die Federkraft erzeugte kompensierende Gegen-Drehmoment von der Drehzahl der Anlage unabhängig ist. Da jedoch die Größe der zu unterdrückenden Drehmomente der Torsionsschwingungen von der Drehzahl abhängt, ist die Feder jeweils auf das höchste zu unterdrückende Moment, d. h.

auf dasjenige bei der höchsten Drehzahl, auszulegen. Bei allen darunter liegenden Drehzahlen erfolgt durch eine Feder bei den bekannten Konstruktionen ein Überkompensieren der Torsionsschwingu?rgen, d. h. in den Generator bzw. in das Schiff werden Drehmomente

ίο von der Kompensationsvorrichtung induziert. Für große Motoren, wie sie in den erwähnten Fällen vorhanden sind, ist eine- solche Federanordnung darüber hinaus wegen der notwendigen Größe, die durch die von ihr aufzunehmenden Drehmomente bedingt ist, kaum

j5 realisierbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Unterdrückung der Torsionsschwingung einer bestimmten Ordnung ermöglicht wird und bei der das erzeugte Kompensationsdrehmoment von ate Drehzahl abhängig zunimmt, wobei die Vorrichtung auch bei großen Motoren bzw. Anlagen zu verwirklichen ist und in Größe und Gewicht beispielsweise etwa dem Schwungrad des Motors oder den bisher verwendeten Reibungsdämpfern entspricht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch mindestens einen Zusatzrotor, dessen Masse derart verteilt ist, daß er im Abstand von seiner Zusatzrotorachse zwei einander diametral gegenüberliegende Schwerpunkte aufweist, wobei die Größe und die den Abstand der Schwerpunkte von der Zusatzrotorachse beeinflussende Verteilung der Masse des Zusatzrotors nach Maßgabe des durch die zu unterdrückende Ordnung der Torsionsschwingung hervorgerufenen Drehmoments auf die Welle bestimmt sind, und ferner dadurch, daß der Zusatzrotor in einem mit der Welle rotierenden Lagergestell um seine in einer Ebene senkrecht zur Wellenachse liegende Zusatzrotorachse drehbar gelagert und zu der Drehung um diese Zusatzrotorachse von einem Antrieb

bo angetrieben ist, der auf einem im Raum festen Zahnkranz abrollt, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen dem festen Zahnkranz und dem Zusatzrotor der halben Ordnungszahl der zu unterdrückenden Torsionsschwingung entspricht.

Grundlage für die Auslegung der Vorrichtung ist eine vorteilhafterweise mit Hilfe eines Rechners erstellte Analyse und Berechnung der Torsionsschwingungen und der daraus resultierenden Drehmomente des aus

dem Motor, der Welle und der angetriebenen Maschine bzw. dem Propeller des Schiffes bestehenden Systems; eine derartige Analyse läßt sich vor der Fertigung des Systems erstellen, sobald die Typen der einzusetzenden Maschinen und die Details der Welle — wie z.B. Durchmesser, Länge, elastische Eigenschaften usw. — bekannt sind. Der Berechnung entnimmt man zunächst die Schwingungsordnung, deren Unterdrückung am vordringlichsten ist, sowie die Größe des dadurch erzeugten, zu kompensierenden Drehmomentes.

Für die Kompensation der Torsionsschwingungen und ihrer Drehmomente wird bei der Vorrichtung das Moment benutzt, das infolge der bei den gleichzeitigen Drehungen des Zusatzrotors um die Wellenachse und um die Zusatzrotorachse entstehenden Coriolis-Kraft auftritt Dieses Drehmoment infolge der Coriolis-Kraft ist ebenso wie dasjenige der Torsionsschwingungen, ein Wechselmoment Erfolgt die Wirkung dieses Wechselmomentes auf die Welle in Gegenphase zu den Torsionsschwingungen, so werden die von der Schwingung der zu unterdrückenden Ordnung erzeugten Drehmomente wirksam unterdrückt Bei Anlagen mit Kolbenmaschinen als Antrieb ist die zu unterdrückende Schwingung im allgemeinen diejenige der sogenannten Hauptordnung, die der Anzahl der Zylinder entspricht; diese Schwingung der Hauptordnung wird bei solchen Anlagen bevorzugt auf das Fundament übertragen und in erster Linie für eine ungenügende Laufruhe des Motors verantwortlich.

Sollte die Phasenlage des mit der Erfindung erzeugten periodisch wechselnden Drehmomentes zu derjenigen der zu unterdrückenden Torsionsschwingung — deren Phasenlage ist aus der bereits erwähnten Analyse des auf einem Rechner simulierten Schwingungsverhaltens eines solchen Systems ebenfalls ablesbar — nicht richtig liegen, so kann man die Phasenlage der Vorrichtung in einfacher Weise korrigieren, wenn die Winkellage der Schwerpunkte des oder der Zusatzrotoren relativ zur Achsrichtung der Welle einstellbar ist.

Der Platzbedarf für die Vorrichtung, insbesondere für den feststehenden Zahnkranz läßt sich verringern, wenn zwei symmetrisch zur axialen Mittelebene angeordnete Zusatzrotoren vorgesehen sind.

Das Lagergestell der Vorrichtung ist an sich an einer beliebigen Stelle an der Welle anbringbar; wird es beispielsweise zwischen Motor und angetriebener Maschine angeordnet, so muß das ganze Leistungsdrehmomeni von diesem Lagergestell bzw. Lagergehäuse übertragen werden. Es ist daher weiterhin zweckmäßig, wenn das Lagergestell am Ende der Welle angesetzt und der Zahnkranz üb«_'r vorgespannte Federn im Raum abgestützt ist. Mit dieser Anordnung können Schwingungen, die vom Zentrifugalmoment des Zusatzrotors hervorgerufen werden, von der federnden Lagerung des Zahnkranzes aufgenommen werden. Diese Konstruktion ist universell einsetzbar, insbesondere vor allem für niedrige Drehzahlen aufweisende Anlagen mit relativ großen rotierenden Massen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines Zusatzrotors in Richtung seiner Zusatzrotorachse;

F i g. 2 stellt eine Seitenansicht des gleichen Zusatzrotors dar;

Fig. 3 ist ein zweites Beispiel eines Zusatzrotors in gleicher Darstellung wie Fig. 1;

Fig.4 gibt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, eingebaut zwischen einer Antriebs- und einer angetriebenen Welle, wieder, wobei das Lagergestell und der Zahnkranz im Schnitt gezeigt sind;

Fig.3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, bei dem Zahnkranz und Lagergestell wiederum geschnitten sind und die Ansicht auf die die Zusatzrotorachse des Zusatzrotors enthaltende Ebene erfolgt;

ίο F i g. 6 und 7 stellen in Schnitten VI-VI bzw. VII-VII von F i g. 7 bzw. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel dar, bei dem die Vorrichtung am Ende einer Welle angeordnet ist

Der in der F i g. 1 gezeigte Zusatzrotor 1, der in seiner Massenverteilung so ausgebildet sein muß, daß er im Abstand r von seiner Rotationsachse 2 zwei einander diametral gegenüberliegende Schwerpunkte 3 hat, besteht aus zwei — bezüglich einer die Zusatzrotorachse 2 enthaltenden Ebene senkrecht zum Abstand 2 rder Schwerpunkte 3 — spiegelsymmetrisch angeordneten Scheiben 4, die fest mit einer Nabe 5 verbunden sind. Die Scheiben 4 haben die Form von Kreisringquadranten mit der Dicke b (F ■ g. 2).

Die zweite Ausführungsform eines Zusatzrotors 1 nach F i g. 3 ist die »Umkehrung« des Zusatzrotors nach Fi g. 1, d. h. sie besteht aus einer Kreisscheibe 6, bei der

— der kreisringförmigen Scheibe 4 entsprechende — Ausnehmungen 7 vorhanden sind; die Kreisscheibe 6 ist ebenfalls an einer Nabe 5 befestigt. Auf ihrem

in Außenumfang trägt die Kreisscheibe 6 eine Verzahnung 8.

Ein Zusatzrotor 1 nach F i g. 3 ist im Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach F i g. 4 über die Querachse 9

— deren Lagerung im wesentlichen derjenigen der ji Querachse 9 des zweiten Ausführungsbeispieles (F i g. 5) entspricht — in einem gehäuseartigen Lagergestell 10 drehbar gelagert.

Das Lagergestell 10 besteht aus zwei haubenartigen Gehäusedeckein 11 und 12 für den Zusatzrotor 1, von

4» denen der linke an die Antriebswelle 13 und der rechte an die angetriebene Welle 14 angesetzt ist. Verbunden sind die Gehäusedecke! 11 und 12 durch einen Kohlzylinder 15 in dessen Mantel sich die Lager 16 für die Querachse 9 befinden (F i g. 5).

·>■> Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig.4 erfolgt der Antrieb der Querachse 9 über eine Schnecke 17, die tangential in die Verzahnung 8 auf dtm Außenumfang der Kreisscheibe 6 eingreift und, parallel zu den Wellen 13 und 14 verlaufend, in den Gehäusedeckeln 11 und 12

«ι exzentrisch und drehbar gelagert ist. Die Achse 19 der Schnecke 17 trägt an einem Ende ein Ritzel 20, das in einen im Raum feststehenden Zahnkranz 22 eingreift, der, die Welle 13 konzentrisch umschließend, beispielsweise fest am Gehäuse 21 des nicht weiter dargestellten

ü An'riebsmotors der Anlage befestigt ist. Um mindestens annähernd eine bezüglich der Wellenachse der Wellen 13 und 14 symmetrische Massenverteilung im mit den Wellen 13 und 14 drehenden Lagergestell 10 ?.u erhalten, ist im Hohlzylinder 15 der Schnecke 17

o diametral gegenüberliegend ein Ausgleichskörper 18 vorgesehen.

Diese Ausführungsform, bei der der Zusatzrotor 1 über ein Schneckengetriebe angetrieben ist, eignet sich besonders für die Unterdrückung von Torsionsschwingungen tieferer Ordnung; denn damit läßt sich das für diese Ordnungen relativ große Übersetzungsverhältnis für den Antrieb dcj Zusatzrotors 1 verwirklichen, ohne daß die Abmessungen des Antriebes unzulässig groß

werden. Bei einer Konstruktion mit dem Schneckengetriebe ergibt sich das Übersetzungsverhältnis für den Antrieb des Zusatzrotors 1 nämlich als Produkt aus demjenigen zwischen dem Zahnkranz 22 und dem Ritzel 20 — das bekanntlich einfach im Verhältnis der Zähnezahlen beider entspricht — und aus demjenigen der Verzahnung 8 zur Schnecke 17. Dieses bestimmt sich wiederum aus der Zähnezahl der Verzahnung 8 auf der Kreisscheibe 6 dividiert durch die Anzahl der auf der Schnecke 17 vorhandenen Gänge.

Die zweite Konstruktion nach F i g. 5 unterscheidet sich nur in Details von der vorbeschriebenen Ausführung. Abgesehen davon, daß die Kreisscheibe 6 als Zusatzrotor ersetzt ist durch die Scheiben 4 nach Fig. 1, erfolgt der Antrieb der Querachse 9 bei dem zweiten Beispiel durch ein Kegelzahnrad 23; dieses ist direkt an einem Ende der Querachse 9 angeordnet und läuft auf dem das Lagergestell 10 außen umschließenden Zahnkranz 22 um. Seine Masse wird durch ein Γ.α<*βηι*βιι>;/<1.» "iA om nnAorar, PnHa Atxr C\\ ι *»raokc A Q

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kompensiert.

Bei dem letzten Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 und 7 ist die Vorrichtung am Ende einer Welle 28 angeordnet; der rechte Gehäusedeckel 12 hat daher einen kurzen hohlen Drehzapfen 26 der in einem eigenen, separat im Raum abgestützten Lager 27 gelagert ist.

Der Zusatzrotor ist in diesem Beispiel in zwei Teilrotoren Γ, 1" unterteilt, die als Scheiben 4 gemäß Fig. 1 ausgebildet sind; die Teilrotoren Γ und 1" sind spiegelsymmetrisch zu einer in Richtung der Wellenachse verlaufenden vertikalen Mittelebene 31 (Fig. 7) angeordnet. Jeder Teilrotor Γ und 1" ist auf der einen Seite mit seiner Querachse 9' und 9" in dem Lager 16 des Hohlzylinders 15 gelagert. Auf der anderen Seite tragen die Teilrotoren Γ und 1" ein Kegelzahnrad 32' und 32", das in den feststehenden Zahnkranz 22 eingreift, der seinerseits zwischen beiden Teilrotoren Γ und 1" angeordnet ist.

Durch die zentrale Bohrung des Drehzapfens 26, der sich in das Lagergestell 10 hinein in einer Führung 29 fortsetzt, ist eine Tragachse 28 geführt; diese trägt an ihrem inneren Ende im Lagergestell 10 den Zahnkranz 22.

Bei diesem Ausführungsbeispiel, das wegen seines in hohem Maße symmetrischen Aufbaues und wegen der geringen Abmessungen des Zahnkranzes 22 in erster Linie für große Anlagen und Motoren und niedrige zu unterdrückende Schwingungsordnungen geeignet ist, ist es möglich, über eine mit einer relativ feinen Stirnverzahnung versehenen Kupplung 30 in der Tragachse 28 für den Zahnkranz 22, in Ruhestellung des rotierenden Systems, die Winkellage der Schwerpunkte 3 (Fig. 1) der beiden Teilrotoren Γ und 1" relativ zur

ίο Wellenachse der Welle 25 zu ändern. Durch die Einstellung dieser Winkellage ist es möglich, die relative Phasenlage des durch die Vorrichtung erzeugten Gegenmomentes zu derjenigen des von der ausgewählten Ordnung der Torsionsschwingungen erzeugten

ii Erregermomentes zu ändern und beide Momente auf Gegenphase zueinander einzustellen.

Die Tragachse 28 ist jenseits der Kupplung 30 in einem Joch 33 gehalten, das sich über Federn 34 auf dem Boden abstützt. Die federnde Abstützung des Zahnin Wran2£s 22 dient, wie b?r?i'.s erwähnt, dszu. dss ίπίο!^σ? der Rotation der Teilrotoren Γ und 1" um die Querachsen 9' und 9" entstehende Zentrifugalmoment aufzunehmen.

Die Einstellung der Winkellage erfolgt beispielsweise

>3 so, daß bei festgehaltener Weile 25 der in Eingriff mit den Zahnrädern 32' und 32" stehende Zahnkranz 22 um einen bestimmten Winkel gedreht wird, ehe er über die Kupplung 30 und das Joch 33 fixiert wird. Bei dieser Drehung wurden dann gleichzeitig die Teilrotoren Γ

jo und 1" bei stehender Welle 25 gedreht, wodurch der Winkel zwischen der Verbindungslinie /"(Fig. 1) ihrer Schwerpunkte und der Wellenachse verändert wird.

Um eine anschauliche Vorstellung von den Dimensionen der neuen Vorrichtung zu geben, sei erwähnt, daß

3i der Zusatzrotor 1 gemäß Fig. I für einen 4-Zylinder-Zweitakt-Großmotor, der als Schiffsantrieb dient, einschließlich der Nabe 5 einen Gesamtradius von etwa 1 m und eine Breite b von 0,4 m hat. Seine Gesamtmasse (Scheiben 4 und Nabe 5) wiegt etwa 7,51. Das Gesamtgewicht der Vorrichtung ergibt sich dabei zu etwa 12,5 t, was etwa gleich demjenigen der bisher benutzten Reibungsdämpfer entspricht, bei denen die Schwingungsenergie in einer viskosen Flüssigkeit in Wärme umgesetzt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen, die sich der Rotation einer Welle beschleunigend oder bremsend überlagern, ohne mit dem rotierenden System in Resonanz zu kommen, gekennzeichnet durch mindestens einen Zusatzrotor (1; 1', 1"), dessen Masse derart verteilt ist, daß er im Abstand (r) von seiner Zusatzrotorachse (2) zwei einander diametral gegenüberliegende Schwerpunkte (3) aufweist, wobei die Größe und die den Abstand der Schwerpunkte (3) von der Zusatzrotorachse (2) beeinflussende Verteilung der Masse des Zusatzrotors (1; Γ, 1") nach Maßgabe des durch die zu unterdrückende Ordnung der Torsionsschwingung hervorgerufenen Drehmomentes auf die Welle (13,14; 25) bestimmt sind, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzrotor (1, Γ, 1") in einem mit der Welle (13, 14; 25) rotierenden Lagergestell (10) um seine in einer Ebene senkrecht zur Wellenachse liegende Zusatzrotorachse (2) drehbar gelag^t und zu der Drehung um diese Zuüatzrotorachse (2) von einem Antrieb angetrieben ist, der auf einem im Raum festen Zahnkranz (22) abrollt, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen dem festen Zahnkranz (22) und dem Zusatzrotor (1, Γ, 1") der halben Ordnungszahl der zu unterdrükkenden Torsionsschwingung entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb zwischen dem Zahnkranz (22) und dem Zusatzrotor (1) ein Schneckengetriebe (17) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei symmetrisch .-iir axialen Mittelebene der Welle (13, S4; 25) angeordnete Zusatzrotoren (Γ, 1") vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergestell (10) am Ende der Welle (25) angesetzt und der Zahnkranz (22) über vorgespannte Federn (34) im Raum abgestützt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage der Schwerpunkte (3) des oder der Zusatzrotoren (1, V, 1") relativ zur Achsrichtung der Welle (13, 14; 25) einstellbar ist.