DE3630870A1 - An eine erregerschwingungsbeaufschlagte vorrichtung zur breitbandigen schwingungsverringerung ankoppelbares schwingungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein an eine erregerschwingungsbeaufschlagte Vorrichtung zur breitbandigen Schwingungsverringerung ankoppelbares Schwingungssystem, bestehend aus einer Schwingmasse und einer Feder.

Bei selbst- oder fremdgetriebenen Arbeitsgerätschaften, Vorrichtungen, Maschinen u. dgl. treten oftmals aufgrund des Antriebs oder der Arbeitsbewegungen mechanische Schwingungen auf. So wirken z. B. die Maschinenantriebe als Schwingungserreger, aber auch die Bearbeitungswerkzeuge übertragen Schwingungen. Zur Verringerung des Störeinflusses durch derartige Schwingungen sind bereits Schwingungstilger und Schwingungsdämpfer in den verschiedensten Formen bekannt geworden. Dabei arbeiten die Schwingungsdämpfer so, daß mechanische Schwingungen z. B. durch Kompression eines eingeschlossenen Luftpolsters oder durch Umwandlung der Bewegungsenergie des schwingenden mechanischen Teiles in Strömungsenergie und Wärme einer Hydraulikflüssigkeit arbeiten. Schwingungstilger, die aus einer Schwingmasse und einer Feder bestehen, werden so ausgelegt, daß der Schwingungstilger eine Eigenfrequenz aufweist, die der Erregungsfrequenz entspricht. Dies hat zur Folge, daß die durch die Erregungsfrequenz angeregte Vorrichtung überhaupt keine Schwingungsausschläge macht, sondern daß sich nur die Masse des Schwingungstilgers bewegt, wobei es sich ergibt, daß die Amplituden der Schwingungen der Masse des Schwingungstilgers nicht allzu groß sind.

Jedoch ist die Wirksamkeit der Schwingungstilger jeweils im wesentlichen auf die Abstimmfrequenz beschränkt und der Schwingungstilger wirkt in anderen Bereichen eher schwingungsverstärkend als dämpfend. Eine breitbandige Dämpfung von Schwingungen über einen Bereich der Erregerschwingungen ist nicht möglich. Schwingungsdämpfer sind auch nicht immer anwendbar, zumal oftmals die Lagerung zu weich wird, so daß eine genaue Handhabung der Vorrichtung nicht mehr möglich ist.

Ähnliche Verhältnisse ergeben sich bei mobilen Einheiten, wie Krafträdern, Rasenmähern, Motorkettensägen u. dgl., die bevorzugt von Brennkraftmaschinen angetrieben werden. Hier treten Erregerschwingungen in ganz bestimmten Betriebs- bzw. Drehzahlbereichen auf, die einerseits von der Brennkraftmaschine und andererseits vom Arbeitswerkzeug, beispielsweise von der Schneidsichel, der Sägenkette od. dgl., erzeugt werden. Eine Dämpfung ist hier nicht oder nur in geringem Umfang möglich, da ein festes Fundament nicht zur Verfügung steht und andererseits auch die genaue Handhabung, beispielsweise einer Kettensäge, nicht mehr möglich wäre.

Die Anwendung von Tilgern in diesem Bereich bringt, wie voranstehend bereits ausgeführt, nur eine Tilgung für eine ganz bestimmte Frequenz, die aber nicht als ausreichend angesehen werden kann, da Erregerfrequenz in den verschiedensten Größenordnungen auftreten und sich Bereiche unangenehmer Resonanzschwingungen ergeben.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingungstilger so weiterzubilden, daß er anstelle einer Tilgungsfrquenz einen Schwingungseliminationsbereich aufweist, in dem Schwingungen der zu Schwingungen angeregten Vorrichtung nahezu getilgt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher ein System der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, daß die Feder eine sich in Abhängigkeit von der Erregungsfrequenz ändernde Federrate aufweist. Durch diese sich ändernde Federrate wird die Tilgungsfrequenz des Systems, die direkt von der Federrate der Feder und der Schwingmasse abhängt, geändert, so daß sich im Idealfall ein Tilgungsbereich ergibt, d. h. ein Bereich an Erregungsfrequenzen, in dem die Schwingmasse gleichmäßig oder unterschiedlich stark schwingt, während die Vorrichtung, an die das Schwingungssystem angekoppelt ist, in Ruhe verharrt.

Bevorzugterweise ist dabei vorgesehen, daß die Federrate der Feder

C = m₂ · ω₂²

und sich im Bereich

Ω₁² < ω₂ < Ω₂²

ändert, wobei m₂ die Schwingmasse, ω₂ die Schwingfrequenz der Schwingmasse, Ω₁ die Eigenfrequenz der Vorrichtung und Ω₂ die Eigenfrequenz des ankoppelbaren Schwingungssystems ist. Diese Eingrenzung führt dazu, daß eine möglichst breitbandige Schwingungstilgung erreicht wird, ohne eine Schwingungstilgung zu nahe im Bereich der Eigenfrequenzen zu erzeugen, da eine Tilgung im Bereich der Eigenfrequenz zur Folge hat, daß dann, wenn die Erregungsfrequenz dann die Eigenfrequenz erreicht oder überschreitet, hier eine Verstärkung antelle einer Tilgung erreicht wird.

Um eine Feder nach den voranstehend angegebenen und erläuterten Bedingungen auszubilden, ist bevorzugterweise erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Feder aus einem elastischen, offene und geschlossene Zellen aufweisenden Schaumkunststoff besteht. Durch die Wahl der Elastizität und durch die Auswahl des Verhältnisses der Anzahl der offenen zu der Anzahl der geschlossenen Zellen des Schaumkunststoffes ist es möglich, ein Federverhalten in der voranstehend beschriebenen Weise zu erhalten. Bei einer geringen Frequenz, bei der die Möglichkeit zur Entleerung und Wiederfüllung der offenen Zellen des Schaumkunststoffes besteht, ergibt sich eine weichere Federrate, während sich bei zunehmender Frequenz eine Verhärtung ergibt. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil, daß eine derartige Feder sich auch bei zunehmenden Schwingungsamplituden verhärtet, so daß hier ebenfalls eine Schwingungsdämpfung erreichbar ist.

Derartige Federn können bevorzugterweise aus Polyurethankautschuk, Polyurethanschaumstoff oder einem elastisch vernetzten Silikonkautschuk bestehen, wobei bevorzugterweise ein homogener, annähernd inkompressibler, elastischer, vernetzter Silikonkautschuk ausgewählt wird.

Um ein derartiges System an eine Vorrichtung, insbesondere an ein Kraftrad, einen Rasenmäher, eine Motorkettensäge od. dgl., anzukoppeln, ist bevorzugterweise vorgesehen, daß das Schwingungssystem aus einem zylindrischen Vollkörper als Schwingmasse mit nahezu konstanter, hoher Dichte und mindestens einem den Zylinderkörper umgreifenden Ringkörper als Feder besteht. Mit einer derartigen Ausbildung kann das System ebenso klein wie effektiv ausgebildet werden und es ergibt sich eine optimale Anpaßbarkeit eines Grundsystems an die verschiedenen möglichen Tilgungsbereiche, da durch einfache Längung oder Kürzung der Schwingmasse und die Anordnung einer entsprechenden Anzahl von Ringkörpern eine geeignete Bereichsauswahl getroffen werden kann, ohne daß das System grundsätzlichen Veränderungen unterworfen werden muß.

Bevorzugte Ausführungsform des Ringkörpers, mit denen eine optimale Anpaßbarkeit und Ausbildung eines Schwingungseliminationsbereiches durchführbar ist, gehen aus den Unteransprüchen hervor. Dabei ist nach einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 8 vorgesehen, daß der Ringkörper auf seiner Außenoberfläche regelmäßig angeordnete kegel-, zylinder-, würfelförmige oder eine andere geeignete geometrische Form aufweisende Stütznoppen oder Stützrippen aufweist. Hierdurch ist einerseits eine noch bessere Anpaßbarkeit der Federrate an die vorgegebenen Bedingungen gegeben, da die Stütznoppen eine Federrate in einem anderen Bereich als der Bereich der Federrate des Ringkörpers aufweisen und durch die Auswahl der Größe der Stütznoppen zu der Größe des Ringkörpers die voranstehend beschriebene Bereichsauswahl für die Federrate besonders gut möglich wird. Andererseits ist über die Stütznoppen auch eine leichte Anpaßbarkeit des Systems an die verschiedenen Anwendungszwecke in der Form gegeben, daß das System ohne umfangreiche vorherige Schwingungsuntersuchungen an die mit den Erregerschwingungen betastete Einrichtung angekoppelt werden kann und durch Änderung des Federverhaltens durch einfaches Wegschneiden, Wegbrennen od. dgl. der Stütznoppen die Federrate veränderbar ist, so daß dann festgestellt werden kann, bei welcher Ausbildungsform der Feder der gewünschte Schwingungseliminationsbereich auftritt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 ein in einem als Rohrstück ausgebildeten Maschinenteil angeordnetes Schwingungssystem in einer senkrechten Schnittdarstellung,

Fig. 2 das Schwingungssystem gemäß Fig. 1 in einer senkrechten Schnittdarstellung gemäß Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Ringkörpers,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des Schwingungssystems in einer senkrechten Schnittdarstellung,

Fig. 5 das Schwingungssystem gemäß Fig. 4 in einer senkrechten Schnittdarstellung gemäß Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Schwingungssystems in einer senkrechten Schnittdarstellung,

Fig. 7 das Schwingungssystem gemäß Fig. 6 in einer senkrechten Schnittdarstellung gemäß Linie VII-VII in Fig. 6,

Fig. 8 das in einem Einbaubehälter angeordnete Schwingungssystem gemäß Fig. 6 in einer senkrechten Schnittdarstellung und

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines Schwingungssystems in einer senkrechten Schnittdarstellung.

Das in Fig. 1 dargestellte Schwingungssystem ist mit 100 bezeichnet und besteht aus einer mit 10 bezeichneten Schwingmasse m₂ und einer Feder 20. Die Schwingmasse 10 ist dabei als zylindrischer Vollkörper 11 ausgebildet, der eine nahezu konstante, hohe Dichte aufweist und beispielsweise aus Blei hergestellt sein kann. Auf den Vollkörper 11 sind etwa scheibenförmig ausgebildete und einen rechteckigen Querschnitt aufweisende Ringkörper 30 aufgeschoben, die sich an der Innenwand 41 eines als Rohrkörper 40 ausgebildeten Maschinenteils abstützen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei bildet die als Ringkörper 30 ausgebildete Feder 20 die Verbindung zwischen der Schwingmasse 10 und dem Rohrkörper 40, der die auf das Maschinenteil wirkenden Erregerschwingungen über die Feder 20 auf die Schwingmasse 10 überträgt.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Ringkörpers 130 dargestellt, der einen annähernd rechteckigen Querschnitt Q aufweist und bei dem sich der Außenradius R in Längsrichtung L des in der Zeichnung nicht dargestellten zylindrischen Vollkörpers verkleinert. Mit dieser Formgebung des Ringkörpers 130 ist eine über den Querschnitt Q gesehen unterschiedliche Vorspannung erreichbar, wodurch die Federrate sich dann progressiv über die Erregungsfrequenz ändert. Dieses Verhalten wird noch verstärkt, wenn eine der Scheibenseiten 131, 132 nach innen eingezogen ausgebildet ist. Gleichzeitig ergibt sich bei dieser Formgebung der Vorteil, daß ein mit derart geformten Ringkörpern 130 versehener Vollkörper 10 leicht in ein Maschinenteil einschiebbar ist.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Schwingungssystem zeigt zwei weitere Ausbildungsmöglichkeiten der Feder 20. Einerseits ist der als Feder 20 wirkende Ringkörper 230 über die ganze Länge des Vollkörpers 10 ausgebildet, was eine leichtere Handhabbarkeit des Schwingungssystems 200 bewirkt und andererseits ist der Ringkörper 230 auf seiner Außenoberfläche 231 mit einen dreieckigen Querschnitt aufweisenden Stützrippen 235 versehen. Über diese ergibt sich die voranstehend beschriebene, besonders gute Anpaßbarkeit des Schwingungssystems 200 an die durch die auf das Maschinenteil 40 wirkenden Erregerschwingungen vorgegebenen besonderen Schwingungs- und Tilgungsbedingungen.

In den Fig. 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform des Schwingungssystems 300 dargestellt, bei der die auf den Vollkörper 10 aufgesetzten Ringkörper 330 in ihrer Grundform scheibenförmig ausgebildet sind, wobei in die Ringkörper Einziehungen 331 eingebracht sind. Dadurch ergibt sich, daß der Ringkörper, der den Vollkörper 10 an dem Maschinenteil 40 abstützt, eine annähernd malteserkreuzförmige Außenform aufweist. Bei dieser Ausbildungsform ergibt sich der besondere Vorteil, daß die Möglichkeit gegeben ist, neben der Änderung der Federrate der als Feder 20 wirkenden Ringkörper 330 über die Erregungsfrequenz auch noch eine gesteuerte Änderung der Federrate über die Erregeramplitude vorzusehen, da sich durch die Formgebung eine Änderung der Federrate bei steigender oder sinkender Erregeramplitude ergibt.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für das neuartige Schwingungssystem ergibt sich im Bereich von Rasenmähern, Freischneidern und insbesondere bei Motorkettensägen, da hier der Gerätekörper eine Vielzahl von rohrförmig ausgebildeten Maschinenteilen aufweist. Das Einsetzen des Schwingungssystems ist hier ohne Probleme möglich und es kann bevorzugterweise vorgesehen werden, daß das Schwingungssystem in einem Behälter angeordnet wird, der innerhalb des Maschinenteils verschiebbar ist, um an einer bestimmten Stelle auftretende Schwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich optimal zu tilgen. In Fig. 4 ist daher das aus dem Vollkörper 10 und den Ringkörpern 330 bestehende Schwingungssystem 300 in einem topfförmigen Behälter 50 angeordnet, der über ein Deckelteil 51 verschließbar ist und in der in Pfeilrichtung X angedeuteten Weise innerhalb des Maschinenteiles 40 verschiebbar ist. Es hat sich gezeigt, daß diese Ausführungsform besonders vorteilhaft dort einsetzbar ist, wo Schwingungen in einem fertigen System auftreten. Da hier eine nachträgliche Optimierung der Schwingungsdämpfung bzw. -tilgung nur mit großem Aufwand möglich ist, kann nunmehr ohne Probleme ein ein Schwingungssystem der voranstehend bechriebenen Art enthaltender Behälter innerhalb des Gerätekörpers verschoben werden und dann dort fest angeordnet werden, wo die Schwingungen verstärkt auftreten und zu tilgen sind.

Die voranstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Schwingungssysteme weisen im wesentlichen ringförmige Federn auf. Es ist aber ohne weiteres möglich, die Federn beispielsweise rechteckig oder quadratisch auszubilden, um ein in gleicher Weise arbeitendes System, z. B. zwischen zwei Gehäusewänden oder in einem Rohrstück mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, anzuordnen. Auch andere geeignete geometrische Formen sind denkbar, wobei vorgesehen werden kann, sich im Maschinengehäuse ergebende Räume oder Hohlräume mit einem geeignete Eigenschaften aufweisenden Schaumkunststoff zu versehen oder auszuschäumen und darin eine Schwingmasse geeigneter Art anzuordnen. Auch hierbei ist der grundsätzliche Erfindungsgedanke verwirklicht, der darin besteht, daß sich die Federrate der Feder in Abhängigkeit von der Erregungsfrequenz und/oder von der Erregeramplitude ändert und so eine Schwingungsverringerung oder Elimination in einem Erregungsfrequenzbereich erreicht wird.

In Fig. 8 ist daher eine weitere Ausführungsform des Schwingungssystems 400 dargestellt, bei der die Schwingmasse 10 als Vollkörper 111 ausgebildet ist. Der Vollkörper 111 ist von einem hohlkugelförmigen Federkörper 430 umgeben, der als Feder wirkt. Die Ausbildung der Schwingmasse 10 als Kugel hat den ganz wesentlichen Vorteil, daß sich die Schwingmasse m₂ selbsttätig in die durch die Schwingungserregung vorgegebene Richtung einstellt. Damit ist ein Schwingungssystem geschaffen worden, das in alle Richtungen gleichmäßig die gewünschten Eigenschaften aufweist und bei dem eine bestimmte Einstellung nicht mehr notwendig ist.

Bei einer Anordnung des Schwingungssystems 400 in einem aus zwei Halbkugelschalen 151, 152 bestehenden Behälter 150 kann das Schwingungssystem 400 problemlos innerhalb der Vorrichtung angeordnet werden. Auch bei diesem Schwingungssystem ergibt sich der Vorteil, daß eine nachträgliche Optimierung ohne großen Aufwand durchführbar ist, indem der das Schwingungssystem 400 enthaltende Behälter 150 innerhalb der Vorrichtung verschoben und dort fest angeordnet wird, wo die Schwingungen auftreten und zu tilgen sind.

Claims (12)

1. An eine erregerschwingungsbeaufschlagte Vorrichtung zur breitbandigen Schwingungsverringerung ankoppelbares Schwingungssystem, bestehend aus einer Schwingmasse und einer Feder, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20) eine sich in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz Ω ändernde Federrate (C) aufweist.

2. Ankoppelbares Schwingungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federrate der Feder (20) C = m₂ · ω₂²und sich im BereichΩ₁² < ω₂ < Ω₂²ändert, wobei m₂ die Schwingmasse (10), ω₂ die Schwingfrequenz der Schwingmasse (m₂), Ω₁ die Eigenfrequenz der Vorrichtung und Ω₂ die Eigenfrequenz des ankoppelbaren Schwingungssystems ist.

3. Ankoppelbares Schwingungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20) aus einem elastischen, offene und geschlossene Zellen aufweisenden Schaumkunststoff besteht.

4. Ankoppelbares Schwingungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20) aus Polyurethankautschuk, Polyurethanschaumstoff oder elastisch vernetztem Silikonkautschuk besteht.

5. Ankoppelbares Schwingungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20) aus einem homogenen, annähernd inkompressiblen, elastischen vernetzten Silikonkautschuk besteht.

6. Ankoppelbares Schwingungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem (100) aus einem zylindrischen Vollkörper (11) als Schwingmasse (10) mit nahezu konstanter, hoher Dichte und mindestens einem den Vollkörper (11) umgreifenden Ringkörper (30) als Feder (20) besteht.

7. Ankoppelbares Schwingungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (30) scheibenförmig mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.

8. Ankoppelbares Schwingungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (230) auf seiner Außenoberfläche (231) regelmäßig angeordnete, kegel-, zylinder-, würfelförmige oder eine andere geeignete geometrische Form aufweisende Stütznoppen oder Stützrippen (235) aufweist.

9. Ankoppelbares Schwingungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (130) einen annähernd rechteckigen Querschnitt (Q) aufweist, wobei sich der Außenradius (R) in Längsrichtung (L) des zylindrischen Vollkörpers verkleinert und eine der Scheibenseiten (131, 132) nach innen eingezogen ausgebildet ist.

10. Ankoppelbares Schwingungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (330) scheibenförmig mit auf seinem Umfang regelmäßig verteilten Einziehungen (231) ausgebildet ist.

11. Ankoppelbares Schwingungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem (400) aus einem kugelförmigen Vollkörper (111) als Schwingmasse (10) mit nahezu konstanter, hoher Dichte und einem den Vollkörper (111) umgreifenden hohlkugelförmigen Federkörper (430) als Feder (20) besteht.

12. Ankoppelbares Schwingungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem (100; 200; 300; 400) in einem verschließbaren, in der Vorrichtung anordbaren Behälter (50; 150) angeordnet ist.