Die Erfindung betrifft einen Schwingungstilger mit:
- a) einem Teil zur Befestigung an einer Hauptmasse;
- b) einer Tilgermasse; und
- c) einem Mittel zum elastischen Koppeln von Befe
stigungsteil und Tilgermasse
- c1) mit wenigstens einem auf Druck und Schub
beanspruchbaren elastischen Koppelelement.
Ein System zweier elastisch gekoppelter Massen, bei dem
eine äußere Störung oder "Erregung" auf eine der Massen
wirkt, führt erzwungene Koppelschwingungen mit der Erre
gerfrequenz aus. Ein besonderer Fall liegt dann vor, wenn
die Eigenfrequenz der Schwingung des durch die zweite Masse
und das elastische Koppelmittel gebildeten Schwingers
gleich der Erregerfrequenz ist. Dann schwingt - im ideali
sierten Fall ohne Dämpfung - nur die zweite Masse (die sog.
Tilgermasse), und zwar gegensinnig zur Erregung, während
die Schwingung der ersten Masse (der sog. Hauptmasse)
vollständig getilgt ist. Im realen Fall mit Dämpfung ist
die Schwingungstilgung nicht vollständig, sie äußert sich
dann als Schwingungsminderung über ein Band von Erreger
frequenzen.
Eine Schwingungstilgung dieser Art wendet man zum Beispiel
bei Kraftfahrzeugen an, um störende Resonanzschwingungen
einer Hauptmasse, etwa eines Getriebeteils oder des Fahr
zeugaufbaus, zu mindern. Hierzu verwendet man Schwingungs
tilger mit auf die Eigenfrequenz der Hauptmasse
abgestimmter Eigenfrequenz.
Ein bekannter Schwingungstilger 31 der eingangs genannten
Art ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Er besteht aus
einer kreiszylindrischen koaxialen Anordnung eines Befe
stigungsteils in Form einer Hülse 32, einer Tilgermasse 33
und einem Koppelmittel in Form einer Elastomerfeder 34.
Diese umfaßt als elastische Koppelelemente mehrere longitu
dinale Elastomerstege 35 mit rechteckiger Stegfläche, die
hochkant in Radialrichtung zwischen der Hülse 32 und der
Tilgermasse 33 stehen.
Der Schwingungstilger 31 kann lineare Schwingungen, also
z. B. Biegeschwingungen des die Hauptmasse bildenden Fahr
zeugteils, in Axialrichtung sowie in den Radialrichtungen
tilgen. Die Stege 35 werden bei Radialschwingungen auf
Druck, bei Axialschwingungen hingegen auf Schub bean
sprucht. Ihre Drucksteifigkeit und Schubsteifigkeit stehen
bei einem gegebenen Elastomermaterial in einem festen Ver
hältnis zueinander; im allgemeinen ist die Drucksteifigkeit
größer als die Schubsteifigkeit. Da Steifigkeit und Eigen
frequenz zueinander proportional sind, stehen die Eigen
frequenzen des Schwingungstilgers in Radial- und Axialrich
tung in einem entsprechenden festen Verhältnis; im allge
meinen ist die Eigenfrequenz in Radialrichtung höher als
diejenige in Axialrichtung. Dieses feste Verhältnis macht
es praktisch unmöglich, den Schwingungstilger auf in Radi
al- und in Axialrichtung vorgegebene, zu tilgende Frequen
zen konstruktiv einzustellen. Er ist daher nur zum Tilgen
von entweder Axial- oder Radialschwingungen optimal geeig
net.
Die Erfindung geht von dem technischen Problem aus, einen
Schwingungstilger zu schaffen, bei dem Eigenfrequenzen für
unterschiedliche, etwa zueinander senkrechte Schwingungs
richtungen, besser eingestellt werden können.
Dieses Problem wird durch einen Schwingungstilger der ein
gangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist,
daß
- c2) das (die) elastische(n) Koppelelement(e) relativ
zur Richtung des Abstands zwischen Befestigungsteil
und Tilgermasse geneigt ist (sind) (Anspruch 1).
Mit "Richtung des Abstands zwischen Befestigungsteil und
Tilgermasse" ist die Abstandsrichtung am Ort des Koppel
elements gemeint. Ist der Schwingungstilger z. B. in einer
ebenen Geometrie ausgeführt, bei der die Tilgermasse und
das Befestigungsteil sandwichartig in parallelen Ebenen
liegen, so verläuft die Abstandsrichtung überall im
Schwingungstilger in dieselbe Richtung, nämlich senkrecht
zu diesen Ebenen. Es gibt hier also nur eine "globale" Ab
standsrichtung. Hat der Schwingungstilger hingegen z. B.
eine zylindrische Geometrie, bei der das Befestigungsteil
und die Tilgermasse koaxial angeordnete, kreiszylindrische
Körper sind, so ist die Abstandsrichtung jeweils die Radi
alrichtung am Ort des Koppelelements. Es gibt hier also
verschiedene "lokale" Abstandsrichtungen.
Durch die geneigte Anordnung des (der) Koppelelements(e)
liegt bei Beanspruchungen in Abstandsrichtung eine schräge
Druckflanke vor. Verringert man z. B. den Abstand zwischen
Befestigungsteil und Tilgermasse, so drückt man das Kop
pelelement nicht nur (wie im Stand der Technik) zusammen,
sondern vergrößert auch dessen Neigung zur Abstandsrich
tung. Das Koppelelement erfährt also eine kombinierte
Druck-Schub-Beanspruchung. Die Steifigkeit ist hierfür
geringer als bei reiner Druckbeanspruchung. Durch die Wahl
einer bestimmten Neigung läßt sich die Steifigkeit in Ab
standsrichtung weitgehend unabhängig von derjenigen senk
recht dazu konstruktiv einstellen.
Der erfindungsgemäße Schwingungstilger hat somit folgende
Vorteile:
- - seine Schwingungstilgungsfrequenzen in Abstandsrich
tung und senkrecht dazu sind konstruktiv unabhängig
voneinander auslegbar;
- - er ist dadurch vielfältiger einsetzbar;
- - erlaubt eine besonders wirksame Schwingungstilgung;
- - indem er gesonderte Schwingungstilger für verschiedene
Schwingungsrichtungen unnötig macht, ermöglicht eine
Kosten- und Gewichtsersparnis und erlaubt insgesamt
eine Vereinfachung eines Schwingungstilgungssystems;
und
- - er ist einfach konstruiert.
Meistens sollen Schwingungen getilgt werden, die in den
verschiedenen Richtungen die gleichen Frequenzen haben. Ein
solcher Fall kann z. B. bei einem Leichtnutzfahrzeug-Chassis
vorliegen, das im Resonanzfrequenzbereich ein Gemisch von
Schwingungen in allen drei zueinander senkrechten Richtun
gen zeigt. Vorzugsweise ist daher die Neigung der Koppel
elemente so gewählt, daß die Eigenfrequenzen von Schwin
gungen der Tilgermasse in Abstandsrichtung und einer hierzu
senkrechten Richtung im wesentlichen gleich sind (Anspruch
2).
Grundsätzlich können die Koppelelemente jede beliebige Form
haben, die eine geneigte Anordnung erlaubt, also z. B. eine
Säulenform. Vorzugsweise haben sie eine stegähnliche Form
(Anspruch 3). Mit dieser Formgebung kann man hohe Steifig
keiten erzielen.
Bei stegförmigen Koppelelementen kann man die Neigung zur
Abstandsrichtung vorteilhaft auf zwei verschiedene Arten
realisieren: einerseits durch eine Verkippung der Stege
(Anspruch 4), andererseits durch eine Versetzung von dem
Befestigungsteil und der Tilgermasse benachbarten Stegkan
ten in Längsrichtung des Stegs (Anspruch 5). Mit "Verkip
pung" ist eine Schrägstellung der Ebene des hochkant zwi
schen Befestigungselement und Tilgermasse stehenden Stegs
relativ zur Abstandsrichtung gemeint. Bei der "Versetzung"
liegt die Stegebene vorteilhaft parallel zur Abstandsrich
tung. Es ist jedoch auch möglich, beide Neigungsarten zu
kombinieren, also einen verkippten Steg mit versetzten
Stegkanten vorzusehen.
Grundsätzlich können die Stege mit versetzten Stegkanten in
einer Projektion senkrecht zur Stegebene eine beliebige
Viereckform haben, vorausgesetzt die Mittellinie des Vier
ecks verläuft geneigt zur Abstandsrichtung. Möglich ist
also z. B. die Form eines ungleichschenkligen Trapezes. Aus
Symmetriegründen werden jedoch im wesentlichen parallelo
grammförmige Stege bevorzugt (Anspruch 6).
Falls zur konstruktiven Einstellung einer bestimmten Til
gungsfrequenz in Abstandsrichtung eine besonders schräge
Druckflanke benötigt wird, wählt man die Versetzung vor
zugsweise so groß, daß die beiden Stegkanten in Abstands
richtung höchstens geringfügig überlappen (Anspruch 7). Die
Stege können dann einer schräggestellten Säule ähneln.
Wegen der geneigten Anordnung eines Koppelelements erzeugt
eine in Abstandsrichtung angelegte Kraft auch eine Kraft
komponente senkrecht dazu. Daher sind Schwingungsfrei
heitsgrade in Abstandsrichtung und senkrecht dazu nicht
entkoppelt: Regt man eine Schwingung der Tilgermasse z. B.
in Abstandsrichtung an, so wird sich auch eine Schwingung
senkrecht dazu ausbilden. Um dies zu vermeiden, ist vor
zugsweise jedem Koppelelement ein weiteres Koppelelement
mit entgegengesetzter Neigung zugeordnet (Anspruch 8).
Durch diese Maßnahme kompensieren sich die senkrecht wir
kenden Kraftkomponenten, so daß eine Schwingung z. B. in
Abstandsrichtung keine andere Schwingung mehr anregt. Die
Schwingungsfreiheitsgrade sind dann entkoppelt.
Vorzugsweise ist der Schwingungstilger in einer ebenen
Geometrie ausgeführt, wobei das Befestigungsteil und die
Tilgermasse sandwichartig mit dazwischengeschaltetem Kop
pelmittel angeordnet sind (Anspruch 9). In dieser Bauform
ist es möglich, den Schwingungstilger besonders flach aus
zubilden. Vorzugsweise sind hierbei mehrere Koppelelemente
nebeneinander angeordnet (Anspruch 10). Zur Freiheitsgra
dentkopplung sind die Koppelelemente vorzugsweise mit paar
weise entgegengesetzten Neigungen angeordnet, z. B. in der
Abfolge: +α, -α, -α, +α. Bei stegförmigen Koppelelementen
richtet man die Steglängsachsen vorteilhaft parallel aus.
Man kann auch zwei Gruppen parallel ausgerichteter Stege
mit zueinander senkrechten Gruppenrichtungen vorsehen.
Besonders bevorzugt ist der Schwingungstilger im wesentli
chen in einer Zylindergeometrie, vorzugsweise einer Kreis
zylindergeometrie ausgeführt, wobei das Befestigungsteil
und die Tilgermasse im wesentlichen koaxial mit dazwi
schengeschaltetem Koppelmittel angeordnet sind (Anspruch
11). Diese Bauform erlaubt einerseits eine besonders kom
pakte Ausführung und läßt andererseits eine Verwendung an
einem drehenden Maschinenteil, z. B. einer Welle, zu, um mit
der Drehung einhergehende Biegeschwingungen zu tilgen.
Der kreiszylindrische Schwingungstilger hat aus Symmetrie
gründen gleiche Eigenfrequenzen für Schwingungen in allen
Radialrichtungen. Bevorzugt wird daher die Neigung der
Koppelelemente so gewählt, daß die Eigenfrequenzen von
Schwingungen in den Radialrichtungen und in Axialrichtung
im wesentlichen gleich sind (Anspruch 12). Auf diesen
Schwingungstilger treffen die oben genannten Vorteile in
besonders ausgeprägter Weise zu.
Vorteilhaft liegt das Befestigungsteil radial innerhalb der
Tilgermasse (Anspruch 13). Dies erlaubt eine einfache Befe
stigung an stabförmigen Maschinenteilen. Vorzugsweise haben
das Befestigungsteil, das Koppelmittel und/oder die Tilger
masse im wesentlichen einen kreisringförmigen Querschnitt
(Anspruch 14).
Vorteilhaft sind bei der zylindrischen Bauform mehrere
Koppelelemente nebeneinander angeordnet (Anspruch 15).
Vorzugsweise sind deren Neigungen abwechselnd entgegenge
setzt. Hierbei muß man bedenken, daß die Bezugsgröße für
"Neigung" in der Zylindergeometrie die für jedes Koppel
element unterschiedliche Radialrichtung ist und daher im
obigen Sinn "entgegengesetzte Neigungen" tatsächlich nicht
vollkommen entgegengesetzt sind. Benachbarte
"entgegengesetzt geneigte" Koppelelemente bewirken folglich
noch keine vollständige Freiheitsgradentkopplung. Diese
kann man vorteilhaft dadurch erreichen, daß man jedem Kop
pelelement radial gegenüberliegend ein weiteres Koppelele
ment mit entgegengesetzter Neigung zuordnet.
Bei dem zylindrischen Schwingungstilger sind stegförmige
Koppelelemente mit der Längsrichtung der Stege in Axial
richtung besonders vorteilhaft (Anspruch 16).
Vorteilhaft bestehen die Koppelelemente im wesentlichen aus
einem elastomeren Material, vorzugsweise aus Gummi (An
spruch 17).
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen und der
beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform,
die in ebener Geometrie ausgeführt ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in
Fig. 1;
Fig. 3 eine Axialansicht einer zweiten, kreiszylindri
schen Ausführungsform mit parallelogrammförmigen
Stegen;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in
Fig. 3;
Fig. 5 eine Axialansicht einer dritten, kreiszylindri
schen Ausführungsform mit verkippten Stegen; und
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in
Fig. 5.
Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen einen bekannten
Schwingungstilger, wobei Fig. 7 eine Axialansicht und
Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie D-D von Fig.
7 ist.
Der ebene Schwingungstilger 1 gemäß Fig. 1 und 2 umfaßt
ein Platte 2 zur Befestigung an einer (nicht gezeigten)
Hauptmasse, z. B. einem Chassis eines Nutzfahrzeugs, eine
Tilgermasse 3 und ein elastisches Koppelmittel, hier eine
Elastomerfeder 4.
Die Befestigungsplatte 2 und die Tilgermasse 3 sind sand
wichartig mit dazwischengeschalteter Elastomerfeder 4 an
geordnet. Das heißt, sie kehren einander ebene, parallele,
sich deckende Flächen ungefähr gleicher Form und Größe zu.
Die "Abstandsrichtung" verläuft senkrecht zu diesen Flä
chen.
Die Elastomerfeder 4 umfaßt mehrere elastische Koppelele
mente, hier Stege 5 aus Elastomermaterial. Sie haben je
weils die Form eines flachen Parallelepipeds mit parallelo
grammförmiger großer Seitenfläche (sog. "Stegebene") und
rechteckförmigen kleinen Seitenflächen (sog. "Stegkanten").
Der Parallelogramm- bzw. Neigungswinkel α, der die Abwei
chung von einem Rechteck beschreibt, beträgt bevorzugt zwi
schen 5° und 70°, hier ungefähr 25°. Das Verhältnis von
Höhe h zu Breite a des Stegs 5 beträgt bevorzugt zwischen
1 und 10, hier ungefähr 4, und dasjenige von Länge l zu
Höhe h beträgt bevorzugt zwischen 1 und 20, hier ungefähr
2. Aufgrund der Parallelogrammform ist eine lange Stegkante
6 relativ zur anderen langen Stegkante 7 in Steglängsrich
tung versetzt. Das Verhältnis von Versetzungslänge v zu
Steglänge l liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8. Werte
größer als 0,5 bedeuten, daß die Stegkanten 6 und 7 in
senkrechter Projektion nicht mehr überlappen. Im hier ge
zeigten Fall relativ großer Überlappung beträgt der Wert
hingegen nur ungefähr 0,25.
Die Stege 5 verlaufen hochkant längs der Befestigungsplatte
2 und der Tilgermasse 3, die Stegebenen sind also parallel
zur bzw. in Abstandsrichtung orientiert und die Stegkanten
6,7 grenzen an die Befestigungsplatte 2 bzw. die Tilgermas
se 3. Die einzelnen Stegebenen sind parallel zueinander und
fluchten in einer senkrechten Projektion. Jedem Steg 5 mit
Winkel α ist benachbart ein Steg mit entgegengesetztem
Winkel -α zugeordnet. Benachbarte Paare von Stegen 5 mit
entgegengesetzten Winkeln sind wiederum einander entgegen
gesetzt orientiert, so daß sich eine zu einer Mittelebene
der Elastomerfeder 4 symmetrische Steganordnung mit einer
Winkelabfolge +α, -α, -α, +α ergibt.
Durch diese symmetrischen Anordnung von entgegengesetzt
geneigten Stegen 5 sind Kräfte in Abstandsrichtung, in
Steglängsrichtung und senkrecht dazu sowie Drehmomente um
diese Richtungen vollständig entkoppelt. Zum Beispiel regt
eine Schwingung in Abstandsrichtung keine Schwingung in
einer anderen Richtung an.
Die parallelogrammförmigen Stege 5 stellen geneigte Kop
pelelemente mit Neigungswinkel α relativ zur Abstandsrich
tung dar. Sie werden bei Beaufschlagung in Abstandsrichtung
auf Druck und Schub beansprucht, woraus eine Erniedrigung
der Federsteifigkeit - im Vergleich zu den rechtwinkligen
Stegen im Stand der Technik - resultiert. Je größer man die
Neigung wählt, desto größer wird der Schubanteil und und
entsprechend kleiner die Steifigkeit. Hingegen ändert sich
hierbei die Steifigkeit in Steglängsrichtung kaum. Durch
Auswahl eines bestimmten Neigungswinkels α bei der Kon
struktion des Schwingungstilgers kann man somit die Stei
figkeiten und damit die Eigenfrequenzen in Abstandsrichtung
und in Steglängsrichtung in weiten Grenzen unabhängig von
einander, und damit insbesondere auch gleich einstellen.
Den in kreiszylindrischer Geometrie dargestellten Schwin
gungstilger 11 gemäß Fig. 3 und 4 kann man sich im we
sentlichen dadurch entstanden denken, daß man den ebenen
Schwingungstilger 1 gemäß Fig. 1 und 2 entlang der Ste
glängsrichtung zu einem Kreiszylinder aufwickelt. Der so
erhaltene Schwingungstilger 11 umfaßt in einer koaxialen
Anordnung als Befestigungsteil eine im Querschnitt
kreisringförmige Innenhülse 12, die von einer kreisringför
migen Tilgermasse 13 unter Zwischenschaltung einer eben
falls kreisringförmigen Elastomerfeder 14 umgeben ist. Die
"Abstandsrichtung" ist hier die von Ort zu Ort verschiedene
Radialrichtung.
Die Elastomerfeder 14 hat zusätzlich zwei zylindermantel
förmige Halteflächen 19, 20 aus Elastomermaterial, die ein
Elastomerteil mit den dazwischenliegenden Stegen 15 bilden.
Die innere Haltefläche 19 umgibt die Innenhülse 12, die
äußere Haltefläche 20 schmiegt sich an die radial innere
Oberfläche der Tilgermasse 13 an. Die Innenhülse 12 kann
auch entfallen, wobei dann die innere Haltefläche 19 ihre
Funktion übernimmt.
Die große Seitenfläche der Stege 15 ist - wie bei den
Fig. 1 und 2 - parallelogrammförmig. Allerdings ist der
Parallelogrammwinkel α hier so groß, daß die innere und
äußere Stegkante 16, 17, derart versetzt sind, daß sie
gerade nicht mehr überlappen. Das Verhältnis von Versetzung
v zur Gesamtlänge l beträgt ungefähr 0,5.
Die Stege 15 sind mit ihrer Längsrichtung (in Axialrich
tung) hochkant stehend außen auf der inneren Haltefläche 19
angeordnet. Die Stegebenen sind also parallel zur jeweili
gen Abstandsrichtung. Zwischen zwei benachbarten Stegen 15
verlaufen im Querschnitt dreieck- oder trapezförmige Durch
stiche 18. Die Zuordnung von Stegen mit entgegengesetzter
Neigung unterscheidet sich von derjenigen gemäß der Fig.
1 und 2: In Umfangsrichtung haben die Stege 15 die abwech
selnde Winkelfolge +α, -α, -α, +α+. Da sich jedoch die Ab
standsrichtung von Steg zu Steg ändert, haben benachbarte
Stege 15 nicht vollständig entgegengesetzte Neigungen (in
derselben Ebenen und bilden daher nicht die für eine Ent
kopplung der Freiheitsgrade einander zugeordneten Koppel
elemente. Für die Freiheitsgradentkopplung sorgt jeweils
ein in Radialrichtung gegenüberliegender Steg; dieser hat
eine genau entgegengesetzte Neigung. In Fig. 3 ist ein
solches Stegpaar mit 15′ und 15′′ gekennzeichnet.
Die oben genannten bevorzugten Abmessungen gelten auch für
die zylindrischen Ausführungsformen. Das Verhältnis der
Höhe h der Stege 15 zum Außendurchmesser der Hülse 12 (der
hier 40 mm beträgt) liegt vorzugsweise zwischen 0,05 bis 1,
hier bei ungefähr 0,4.
Durch eine bestimmte Wahl der Neigungswinkel α kann man
wiederum die Steifigkeit und damit die Eigenfrequenz in den
Radialrichtungen in weiten Grenzen unabhängig von denen in
Axialrichtung einzustellen. In der in Fig. 3 und 4 ge
zeigten Ausführungsform sind die Steifigkeiten und Eigen
frequenzen gleich eingestellt. Dadurch kann man mit einem
Schwingungstilger 11 Resonanzschwingungen einer Hauptmasse
in allen möglichen Schwingungsrichtungen tilgen, wobei die
verschiedenen Schwingungsfreiheitsgrade vollständig entkop
pelt sind.
Der Schwingungstilger 21 gemäß Fig. 5 und 6 entspricht
bis auf die Form und Anordnung der Stege 25 weitgehend dem
Schwingungstilger gemäß Fig. 3 und 4. Für die Hülse 22,
die Tilgermasse 23, die Elastomerfeder 24 und die Halte
flächen 29, 30 gilt daher im wesentlichen das dort Gesagte.
Die Stege 25 haben hingegen nicht parallelogrammförmige,
sondern rechteckförmige Stegebenen. Die Neigung wird hier
jeweils durch eine Verkippung der Stegebenen aus der Ab
standsrichtung (d. h. der Radialrichtung) erreicht. Der
Verkippungswinkel β beträgt vorzugsweise zwischen 5° und
90°, hier ungefähr 40°. Benachbarte Stege 25 haben hier
jeweils den gleichen Verkippungswinkel β. Somit ergeben
sich Durchstiche 28 mit sichelförmigem Querschnitt.
Jedem Steg 25 liegt ein weiterer Steg 25 radial gegenüber.
Die beiden Stege 25 haben zwar den gleichen Verkippungs
winkel β relativ zur Abstandsrichtung. Da sich für sie aber
die Abstandsrichtungen selbst um 180° unterscheiden, bedeu
tet "gleicher Verkippungswinkel β", daß die beiden Stege
tatsächlich entgegengesetzt geneigt sind. Somit ist eben
falls für eine Entkopplung der Freiheitsgrade gesorgt. Man
kann darüber hinaus die Elastomerfeder 24 in Axialrichtung
in mehrere Abschnitte mit jeweils entgegengesetzten Neigun
gen β aufteilen.
Durch eine geeignete Wahl des Verkippungswinkels β kann die
Radialsteifigkeit wie bei dem Schwingungstilger gemäß
Fig. 3 und 4 weitgehend unabhängig von der Axialsteifigkeit
eingestellt werden.