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Vorrichtung zur Dämpfung von Torsionsschwingungen unter Verwendung
einer möglichst an der Stelle größten Schwingungsausschlages auf der Welle drehbar
gelagerten Zusatzschwungmasse Befinden sich auf einer Welle oder Achse zwei oder
mehrere Massen, und wirken auf die Welle bzw. Achse pulsierende Kräfte, so treten
Torsionsschwingungen auf, sobald zwischen dem Takt der pulsierenden (erregenden)
Kräfte und einer der Eigenschwingungszahlen des Wellensystems ein bestimmtes Verhältnis
(Resonanz) besteht. In vielen Fällen erzeugen solche Torsionsschwingungen an bestimmten
Stellen der Welle bzw. Achse große zusätzliche Verdrehungsbeanspruchungen, die so
hohe Werte annehmen können, daß ein längerer Betrieb in solchem kritischen Gebiete
zum Bruch der Welle führen würde; auch kann schon ein häufiges Durchfahren der kritischen
Gebiete unerwünscht hohe Materialbeanspruchungen ergeben. In solchen Fällen, wo
es nicht möglich ist, die gefährlichen Torsionsschwingungen außerhalb des Betriebsbereiches
zu verlegen, ist man daher bestrebt, Vorrichtungen zu schaffen, durch welche eine
Dämpfung der unvermeidlichen Schwingungen und damit eine entsprechende Verringerung
der Verdrehungsbeanspruchungen der Welle bzw. Achse erzielt werden soll.
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Solche Schwingungsdämpfer bestehen z. B. darin, daß eine zusätzliche
Schwungmasse lose auf die Welle gesetzt wird, und zwar an einer Stelle, an welcher
bei auftretenden Torsionsschwingungen möglichst große Ausschläge entstehen, und
wobei die Schwungmasse unter Vermittlung von Flüssigkeit, elektrischem Strom o.
dgl. durch einen auf der Welle festsitzenden Mitnehmer lose mit der Welle verbunden
ist; sobald der Mitnehmer in Schwingungen gerät, wird die Schwungmasse infolge ihres
Beharrungsvermögens auf den Mitnehmer eine Bremswirkung ausüben. Man kann sich von
der Wirkung einer solchen Dämpfungsvorrichtung in folgender Weise ein Bild machen,
wobei es für das Zustandekommen der Schwingung und für die Dämpfung gleichgültig
ist, ob sich die Welle dabei dreht oder ob sie stillsteht, denn- auch eine nichtrotierende
Welle gerät unter den gleichen Vorbedingungen in gleiche Torsionsschwingungen. An
der oben bezeichneten Stelle denkt man sich auf die Welle einen sternförmigen Mitnehmer
fest aufgekeilt, dessen Arme mit ebenen, radial gerichteten - Schaufeln versehen
sind, derart, daß die ebenen Flächen in Richtung der Wellenachse liegen; dieser
Mitnehmer würde also ähnlich aussehen wie z. B. das Rad eines Raddampfers; um diesen
Mitnehmer herum, auf -der Welle drehbar gelagert, sei ein hermetisch geschlossenes
Gefäß, eine Art Trommel, von entsprechendem Gewicht bzw. Schwungmoment angeordnet;
diese Trommel werde mit einer Flüssigkeit vollständig gefüllt, so daß der Mitnehmer
ganz von Flüssigkeit umgeben ist. Man kann sich ferner vorstellen, daß durch
Rippen,
Zwischenwände oder in sonstiger Weise der Widerstand bei auftretender Relativbewegung
zwischen dem als Schwungscheibe zu betrachtenden Gefäß und der Flüssigkeit vergrößert
wird; eine feste Verbindung zwischen Zusatzschwungmasseund Welle besteht aber bei
dieser Art von Dämpfern nicht; man kann vielmehr bei feststehender Welle die Zusatzschwungmasse
ohne besonderen Kraftaufwand, zum mindesten um einen bestimmten Betrag, hin und
her drehen. Es ist leicht einzusehen, daß ein Widerstand nur dann auftreten kann,
wenn die an der Welle festsitzenden Schaufeln in der Flüssigkeit zu schwingen beginnen,
und daß dieser Widerstand bei gegebener Ausführung der Vorrichtung um so größer
wird, je schneller die Schaufeln schwingen und je größer die Ausschläge sind, und
ferner, daß eine genügende Dämpfungswirkung nur erzielt werden kann, wenn die Zusatzschwungmasse
groß genug ist. Da die Schwingungen meist mit sehr hoher Frequenz stattfinden und
die Zusatzmasse, wie schon erwähnt, ziemlich groß sein muß, um überhaupt eine nennenswerte
Dämpfung hervorrufen zu können, so ergibt sich, daß auf den mit der Welle fest verbundenen
Mitnehmer recht erhebliche Torsionskräfte zur Wirkung kommen müssen. Die praktischen
Erfahrungen mit verschiedenen Dämpfungsvörrichtungen, die auf dem geschilderten
Prinzip beruhen, haben dann auch gezeigt, daß entweder die Dämpfungswirkung zu gering
war, oder aber, daß die Kräfte, die von dem Mitnehmerstern notwendigerweise aufgenommen
werden mußten, so groß wurden, daß in kurzer Zeit irgendein Bruch eintrat.
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Bei einer anderen bekannten Art von Dämpfungsvorrichtungen wird wiederum
an einer Stelle, an welcher die Schwingungsausschläge möglichst groß sind, eine
Zusatzschwungmasse auf die Welle gesetzt, die aber in-, Ruhezustand nicht lose mit
der Welle in Verbindung steht, sondern z. B. durch Reibung festgehalten wird. Die
einfachste Ausführungsform kann man sich so denken, daß die drehbar auf der Welle
gelagerte Schwungscheibe durch Federkraft gegen eine auf der Welle festsitzende
Mitnehmerscheibe gedrückt wird, und zwar so stark, daß die dadurch entstehende Reibung
ausreicht, um die Zusatzschwungmasse zu zwingen, alle im normalen Betrieb auftretenden
Ungleichförmigkeiten der Bewegung mitzumachen, ohne zu rutschen, so daß die Schwungmasse
für diese Betriebsverhältnisse als starr mit der Welle gekuppelt angesehen werden
kann; erst wenn in kritischen Gebieten die Mitnehmerscheibe mit größeren Ausschlägen
zu schwingen versucht, würde die Reibung zwischen Mituelunerscheibe und Schwungmasse
zu gering sein, um letztere dabei mitzunehmen; die Schwungmasse wird dann also rutschen.
Sosehr diese Art von Dämpfern den zuerst geschilderten Vorrichtungen ähnlich erscheint,
so verschieden: ist doch die Wirkung. Bei den Dämpfungsvorrichtungen mit lose sitzenden
Zusatzschwungmassen wird die Lage der kritischen Gebiete durch die Zusatzmasse praktisch
nicht verändert, weil nur diejenigen Massen die Eigenschwingungszahl des Systems
beeinflussen, die mit der Welle fest verbunden sind. Demnach werden auch die Faktoren,
welche das Zustandekommen von Torsionsschwingungen gerade bei einer bestimmten Impulszahl
bedingen, nicht verändert, auch wenn der Schwungring in dem betreffenden kritischen
Gebiet in Funktion tritt. Bei der anderen Art von Dämpfern liegen die Verhältnisse
aber anders; hier ist ja Voraussetzung, daß die Zusatzschwungmasse für normale Betriebsverhältnisse
als starr mit der Welle verbunden gelten kann. Hierdurch würden zunächst, wenn beide
Ausführungsarten für die gleiche Welle mit den gleichen Massen verwendet werden
würden, die Eigenschwingungszahlen des Systems andere sein, und zwar würden sie
im zweiten Falle niedriger liegen; bei der Impulszahl, bei welcher die Welle mit
lose aufgesetztem Schwungring in Torsionsschwingungen gerät, würden also bei -einer
mit Reibung festsitzenden Zusatzschwungmasse solche Schwingungen überhaupt nicht
auftreten können; bei einer entsprechendniedrigeren Impulszahl allerdings wären
die Vorbedingungen für das. Zustandekommen von Torsionsschwingungen gegeben; sobald
aber die Schwingungsausschläge hierbei ein bestimmtes Maß erreicht haben, beginnt
die Zusätzschwungmasse, bei jeder Schwingung zu rutschen, und im Augenblick des
Rutschens sind die Bedingungen der Schwingung geändert, die Eigenschwingungszahl
des Systems liegt dann höher, und die Schwingung kann sich daher nicht im vollen
Maße ausbilden; größere Kräfte treten hierbei nicht auf, denn es ist ohne weiteres
klar, daß die Mitnehmerscheibe nicht höher beansprucht werden kann, als dem Reibungsmoment
entspricht. Man kann sagen, daß der prinzipielle Unterschied zwischen den beiden
Dämpfungsvorrichtungen darin besteht" daß bei der ersteren Art die b ei bestimmten
Drehzahlen bzw. ImpulszahIenauftretenden Torsionsschwingungen dadurch gedämpft werden,
daß die Ausschlägean geeigneter Stelle der Welle zwangsweise abgebremst werden,
während bei der zweiten Art durch das Rutschen eines Zusatzschwungringes die Vorbedingungen
für das Zustandekommen einer Torsionsschwingung gestört werden. Da die Zusatzschwungmasse
ziemlich groß sein muß und die Frequenz der
Schwingungen fast immer
sehr hoch ist, so kann für größere Abmessungen eine einfache mechanische Reibungskupplung
nicht ohne weiteres verwendet werden, weil die Reibflächen in kurzer Zeit zerstört
werden würden; ferner ist auch durch praktischen Versuch festgestellt worden, daß
der Erfolg für eine gegebene Wellenleitung am günstigsten ist, wenn das Rutschen
der Zusatzschwungmasse bei einem bestimmten, ziemlich eng begrenzten Drehmoment
stattfindet. Diese Bedingung kann aber mit einer gewöhnlichen Reibungsverbindung
nicht erfüllt werden, weil das Drehmoment, bei welchem die Kupplung gleitet, je
nach dem Zustand der Reibungs= flächen sehr verschieden sein kann.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Dämpfung von Torsionsschwingungen
unter Anwendung des an zweiter Stelle geschilderten Prinzips, wobei zwischen Mitnehmerscheibe
und Zusatzschwungmasse eine besonders ausgebildete Kupplung eingeschaltet wird,
die ein beliebig häufiges und lange andauerndes Rutschen des Schwungringes in kritischen
Gebieten -gestattet, ohne daß unzulässige Erwärmungen und Anfressungen zwischen
Reibungsflächen zu befürchten sind und ohne daß eine Änderung des einanal eingestellten
Drehmoments, bei welchem das Rutschen beginnt, eintreten kann.
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Erfindungsgemäß wird möglichst an der Stelle größten Schwingungsausschlages
eine Zusatzschwungmasse angeordnet, die durch eine nach Art einer positiv wirkenden,
rotierenden Flüssigkeitspumpe bekannter Bauart ausgebildete Kupplung mit der Welle
verbunden ist, deren Druckräume durch Ventile abgesperrt sind, welche, z. B. durch
Federn, so belastet sind, daß sie erst bei Überschreitung eines bestimmten Druckes
öffnen können, der nur bei Auftreten von Torsionsschwingungen erreicht wird. An
Stelle einer besonderen Zusatzschwungmasse kann irgendeine auf der Welle bereits
vorhandene Schwungmasse (z. B. der Rotor einer Dy-
namomaschine) Verwendung
finden.
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Die beiliegenden Abbildungen zeigen zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes,
und zwar: Abb. i eine Vorrichtung mit sternförmig angeordneten Kolbenpumpen im Querschnitt,
Abb. a einen Schnitt nach Linie il-B zu Abb. i, Abb. 3 eine Vorrichtung mit kreisförmig
angeordneten Zahnradpumpen im Querschnitt, Abb. q. einen Schnitt nach Linie C-D
zu Abb. 3, Abb. 5 einen Schnitt nach Linie EJ zu Abb. 3.
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Die Welle a, in welcher auftretende Drehschwingungen abgedämpft werden
sollen, ist an geeigneter Stelle mit einer Kurbel f versehen; das Gehäuse b ist
auf der Welle drehbar gelagert und trägt mehrere sternförmig angeordnete Zylinder
c; die zu den Zylindern gehörigen Kolben d sind durch Treibstangen
e
in bekannter Weise mit dem für alle Zylinder gemeinsamen Kurbelzapfen/ verbunden.
In den Zylinderdeckeln befindet sich je ein federbelastetes Einsaugventil g und
ein eben solches Auslaßventil h.
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Wie aus Abb. i ersichtlich, besitzt jeder Zylinderdeckel einen gemeinsamen
Saug- und Druckraum; diese Räume sind durch die Kanäle i untereinander verbunden.
Die Zylinder sind an ihren äußeren Enden so verstärkt, daß sie, miteinander in irgendeiner
Weise verschraubt, die Zusatzschwung-nasse bilden; doch kann der Schwungring auch
in anderer Weise mit den Zylindern verbunden werden. Der Raum zwischen den Kolben
und Zylinderdeckeln (d. h. der Kompressionsraum der Zylinder) sowie die gemeinsamen
Saug- und Druckräume in den Zylinderdekkeln nebst den Verbindungskanälen i sind
mit einer Flüssigkeit (z. B. Schmieröl oder Glycerin) vollständig gefüllt. Die Federn
der Druckventile sind so stark gespannt, daß die Ventile erst bei Überschreitung
eines bestimmten Kolbendruckes öffnen, so daß die Zylinder mitgenommen werden, wenn
die Welle gedreht wird und Welle und Zylinder nach beiden Drehrichtungen als praktisch
starr miteinander gekuppelt gelten können, solange dieser Kolbendruck nicht überschritten
wird. In den meisten Fällen rotiert die Welle auch außerhalb der kritischen Drehzablen
nicht mit vollkommen gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit, sondern die an der Welle
wirkenden pulsierenden Kräfte erzeugen eine bestimmte Ungleichförmigkeit, deren
Größe von verschiedenen Faktoren abhängig ist. Die Federn der Druckventile des Flüssigkeitsgetriebes
müssen nun so stark gespannt sein, daß der mit den Zylindern verbundene Schwungring
diese Schwingungen mitmachen muß, ohne daß eine relative Verdrehung zwischen der
Welle und den Zylindern dabei eintreten darf. Die Größe der Federspannung, d. h.
der Druck, bis zu welchem das Flüssigkeitsgetriebe als starr gekuppelt gelten kann,
muß in jedem Falle besonders ermittelt werden. Im Bereiche von kritischen Drehzahlen
werden die Ausschläge der Schwingungen an den Stellen der Welle, an welchen die
Vorrichtungen anzubringen sind, erheblich größer; auch erfolgen die Eigenschwingungen
meist mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz, womit die notwendigen Beschleunigungskräfte
wesentlich größer werden müßten, was aber durch die Einstellung der Federn der Druckventile
unmöglich
ist, so daß die Zylinder mit Schwungring nur in beschränktem
Maße an den Schwingungen der Welle teilnehmen und dadurch eine Dämpfung verursachen.
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Aus den* Abbildungen ergibt sich ohne weiteres, daß die Flüssigkeit,
welche hierbei durch die Druckventile hindurchgedrückt wird, in den ölsammelraum
gelangt und daß zur selben Zeit andere Kolben eine gleiche oder annähernd gleiche
Menge aus dem Sammelraum ansaugen. In diesem Raum muß ein niedriger Druck, z. B.
Atmosphärendruck, herrschen, und .es müssen Vorkehrungen getroffen werden, daß dieser
Druck möglichst konstant gehalten wird, und daß ferner durch Undichtheiten etwa
verlorengehende Flüssigkeit ständig ersetzt wird. -Die in den Abbildungen angedeutete
Art der Unterbringung der Ventile ist für die Wirkung der Vorrichtung belanglos;
wenn man die Ventile z. B. in den Kolben anordnen würde, so könnte der _ganze Gehäuseraum
,(Kurbelkammer) als Flüssigkeitssammelraum dienen.
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An Stelle der in den Abb._ r und z dargestellten rotierenden Kolbenpumpe
-kann auch irgendeine andere positiv wirkende Flüssigkeitspumpe in Anwendung kommen,
z. B. eine Zahnradpumpe oder eine Pumpe der beim Lentz-Flüssigkeitsgetriebe verwendeten
Art o. dgl. Ein Ausführungsbeispiel für eine Zahnradpumpe ist in den Abb. 3 bis
5 im Querschnitt und zwei Längsschnitten dargestellt.
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Auf der Welle a ist ein Zahnrad k fest aufgekeilt, in welches mehrere
kleinere Zahnräder L eingreifen, die im Gehäuse m und dessen Deckeln
drehbar gelagert sind. Die ganze Vorrichtung besteht also aus mehreren Zahnradpumpen,
die konzentrisch um ein gemeinsames Triebrad angeordnet sind. Gehäuse nebst Deckel
sind gegen die Welle drehbar gelagert. Wenn sich die Welle mit dem Triebradk in
der angedeuteten Pfeilrichtung gegenüber dem Gehäuse dreht, so wird die Flüssigkeit
in die Kanäle o gedrückt, während durch die Kanäle p Flüssigkeit angesaugt wird.
Bei umgekehrter Drehung zwischen Welle und Gehäuse wird p Druckkanal und o Saugkanal.
Die Kanäle o münden in eine gemeinsame ringförmige Kammer r/, die im Gehäuse untergebracht
ist; während die Kanäle p mit einer ähnlichen Kammer r _ im Deckel in Verbindung
stehen: Zwischen den Kammern g und r sind Sammelräume s angeordnet, die mit je einem
Saugventil t und einem Druckventil u gegen die Kammern g und r abgeschlossen sind,
und zwar so, daß in bezug auf die Kammern g das Ventil des einen Sammelraumes als
Saugventil und dasjenige des anderen Sammelraumes als Druckventil wirkt. In bezug
auf die Kammer r wirken die Ventile auf der anderen Seite des Sammelraumes im umgekehrten
Sinne. Die Federn der Druckventile u werden wieder so stark gespannt, daß die Ventile
erst bei überschreitung eines bestimmten Druckes Flüssigkeit von der einen nach
der anderen Kammer übertreten lassen, und es ist wie bei der Kolbenpumpe vorausgesetzt,
daß in den Sammelräumen ein niedriger Druck herrscht, der annähernd konstant gehalten
wird. Es ist ohne weiteres verständlich, daß die Wirkung genau die gleiche ist wie
bei der Kolbenpumpe. Die erforderliche Schwungmasse läßt sich sehr einfach mit dem
Gehäuse vereinigen.
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Die Ausführungsform entsprechend den Abb. 3 bis 5 kann eine Vereinfachung
dadurch erfahren, daß je eines der Ventile der Öffnungens weggelassen wird, so daß
je zwei der Öffnungen s federbelastete Druckventile haben, welche einen Überdruck
vom Raum r in den Raum g abströmen lassen, während die beiden anderen Öffnungen
gleiche, aber umgekehrt gerichtete Druckventile erhalten, deren Aufgabe es ist,
einen Überdruck vom Raum g in den Raumr abströmen zu lassen.
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Vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen, daß die Dämpfung der auftretenden
Schwingungen durch Anordnung von zusätzlichen Schwungmassen erfolgt, welche nur
so lange als starr oder annähernd starr mit der Welle verbunden gelten können, als
nicht größere Schwingungen auftreten. Ist dies der Fall (im Bereiche kritischer
Drehzahlen), so führen die Zusatzmassen gegenüber der Welle relative Drehbewegungen
aus. Die diese Relativbewegung hervorrufenden Drehschwingungen müssen hierbei so
groß sein, daß die Beschleunigungskräfte, welche nötig waren, die Zusatzschwungmassen
zu zwingen, an der mit ziemlich hoher Frequenz stattfindenden Pendelung teilzunehmen,
größer werden als die Kräfte, welche die Zusatzmassen mit der Welle kuppeln. Sobald
die Zusatzmasse nicht mehr an der vollen Drehschwingung teil-nimmt, ,ändern
sich die Faktoren, welche die Zahl der Eigenschwingungen in der Minute bedingen,
d. h. die kritische Drehzahl hat das Bestreben, sich zu verschieben. Hierdurch werden
die Ausschläge und damit die Trägheitskräfte, welche die Welle beanspruchen, herabgemindert.
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Selbstverständlich können in solchen Fällen, wo es -im praktischen
Betriebe ohne Belang ist, wenn eine oder mehrere der auf einer Welle benötigten
Massen im Bereiche von kritischen Drehzahlen etwas rutschen, diese Massen die Rolle
der obergenannten Zusatzmassen übernehmen, so daß letztere eingespart werden. Die
Wirkung im Bereiche von kritischen Drehzahlen ist hierbei dieselbe, sofern die vorhandene
Masse nicht zufällig
im Knotenpunkt der Schwingungsform liegt. So
könnte z. B. der Rotor einer direkt anzutreibenden Dynamomaschine in der angegebenen
Weise mit der Welle gekuppelt sein, indem der auf der Welle drehbar angeordnete
Rotor mit dem Pumpenzylinder- bzw. Pumpengehäuse fest verbunden wird, je nachdem
eine Ausführung nach Abb. i und 2 oder nach Abb. 3 bis 5 gewählt wird.
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Wo es sich hingegen um bereits ausgeführte Wellenanlagen handelt oder
wo alle auf der Welle anzubringenden Massen _(z. B. das Schwungrad einer Kolbenmaschine)
unbedingt fest sitzen müssen, ist die Anordnung von Zusatzschwungmassen zu dem genannten
Zweck unerläßlich.