DE514156C - Vorrichtung zum Kraft- und Massenausgleich bei schwingenden Systemen - Google Patents

Description

Es sind Vorrichtungen bekannt, die dazu dienen, Erschütterungen aufzunehmen bzw. unschädlich zu machen, die durch gewollte oder ungewollte mechanische Schwingungen hervorgerufen werden. Die eine Gruppe dieser bekannten Vorrichtungen beruht darauf, die in Fundamenten oder anderen Vorrichtungen auftretenden Erschütterungen abzudämpfen. Hierbei verwendet man vielfach nachgiebige Werkstoffe, die die Erschütterungsenergie auf dem zurückgelegten Weg in Wärme umsetzen, oder man läßt flüssige oder gasförmige Mittel durch enge Düsen oder Schlitze von einem Raum in einen anderen entweichen, wobei die Erschütterungsenergie durch Drosselung, also ebenfalls durch Umsetzung in Wärme abgeführt wird. Eine andere Gruppe von Vorrichtungen wendet elastische Mittel zur Beseitigung von Erschütterungsleistungen an; bei den bisher bekannt gewordenen Vorrichtungen dieser Art wurden jedoch Erfolge in vielen oder allen Fällen nur dadurch erzielt, daß man die elastischen Mittel so lange auswechselte und durch anders bemessene ersetzte, bis die gewünschte Wirkung erzielt war, oder man rechnete mit dem Umstände, daß rhythmische Erschütterungen ein schwingendes System so erregen, daß die resultierende Kraftwirkung nach außen aufgehoben wird. Ein durch Erschütterung erregtes System kann sich aber sowohl in der ]Sfähe einer i8o°igen als auch in der Nähe einer o°igen Phasenverschiebung mit der Erschütterung stationär einstellen; es ist sogar ein Umspringen in den einen oder anderen Zustand möglich. Hieraus geht hervor, daß, selbst wenn man von der Tatsache absehen will, daß niemals genau i8o° erreichbar und damit niemals ein vollkommener Ausgleich erzielbar ist, auch noch damit gerechnet werden muß, daß sich der Phasenwinkel auf o° einstellt oder auf o° umspringt.

Der Gegenstand der Erfindung ist eine Koppelvorrichtung, die frei schwingende Systeme oder Teile von frei schwingenden Systemen mit i8o°iger Phasenverschiebung so gegeneinanderbewegt, daß sich die Erschütterungskräfte nahezu oder vollkommen aufheben. Dabei können einander entgegenwirkende frei schwingende Systeme gleiche Massen und gleiche Amplituden besitzen, es können sich aber auch ihre Amplituden zueinander umgekehrt verhalten wie ihre Massen.

Die oben gestellte Aufgabe kann dadurch gelöst werden,

1. daß die einander entgegenwirkenden Systeme oder Massen durch um i8o° ver- öo setzte Antriebsmittel in Verbindung mit je einer losen Kopplung für jeden Trieb erregt werden, oder

2. daß eine einzige Kurbel unter Zwischenschaltung einer einzigen losen Kopplung durch Hebel oder andere Vorrichtungen die

gegeneinanderwirkenden Systeme oder Massen zwangsläufig mit 18o° Phasenverschiebung bewegt, oder

3. daß eine einzige gelenkig mit einem doppelarmigen Hebel verbundene Kurbel die gegeneinanderbewegten Systeme durch Zwischenschaltung von zwei losen Kopplungen in Schwingungen versetzt, die um i8o° Phase verschoben sind, oder

4. daß die Energiequelle selbst eine Bewegung ausführt, die gegenüber dem bewegten System eine i8o°ige Phasenverschiebung aufweist.

In allen vier Fällen muß sich die Amplitude, wie schon angedeutet, wenn ein vollkommener Massenausgleich erzielt werden soll, verhalten wie die gegeneinanderbewegten Massen. Die teilweise Verwendung eines oder des anderen Mittels in Fällen, wo ein vollkommener Ausgleich nicht erforderlich ist, ändert am Wesen der Erfindung nichts.

Ebenso ist es möglich, den treibenden Teil als zwangsläufig schwingendes System (Kurbel) und den getriebenen Teil als frei schwingendes System auszubilden. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, wie in einzelnen Abbildungen dargestellt, daß der treibende Teil als frei schwingendes System, z. B. als Benzinmotor, und der getriebene Teil als elastisch gekoppeltes, zwangsläufig schwingendes System (Kurbel) ausgebildet ist. Es ist ferner möglich, an Stelle der in der Regel angegebenen elastischen Kopplung eine beliebig andersgeartete Kopplung, z.B. Massenkopplung, Reibungs- oder Zeitkopplung usw., zur Anwendung zu bringen.

Abb. ι zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Masse α an einer Pendelstange aufgehängt und durch eine Kopplung k mit einem Kurbeltrieb g, h verbunden ist. Beim Umlaufen des Kurbeltriebes g, h wird in der Kopplung k abwechselnd eine Spannung in der einen oder anderen Richtung hervorgerufen, wodurch das Pendel a, b in Bewegung gehalten wird. An der Pendelstange b ist jedoch ein Lenker m und an der Pendelstange &J des zweckmäßig auf gleiche Schwin-, gungsdauer abgestimmten zweiten Pendels a_v U₁ ein ebensolcher Lenker M₁ angebracht Beide sind durch einen zweiarmigen Hebel« so miteinander verbunden, daß in demselben Augenblick, in dem die Pendelmasse α nach rechts schwingt, sich die Pendelmasse CL₁ nach links bewegt, und umgekehrt. Die waagerechten Komponenten sowohl der Pendelmassen α und <% wie auch diejenigen ihrer Reaktionen in Höhe der Pendelaufhängepunkte heben sich auf, wenn die beiden Pendelmassen α und «j bei gleichem Ausschlag gleiche Gewichte haben.

Man kann nach Abb. 2 auch eine der beiden Pendelmassen schwerer als die andere machen, wobei lediglich dafür zu sorgen ist, daß die Armlänge des zweiarmigen Hebels i im umgekehrten Verhältnis zu den beiden Pendelmassen α, a_t bzw. verkürzt und damit der Ausschlag der kleinen Pendelmasse a_t vergrößert und derjenige der großen, a, verkleinert wird. Auch in diesem Falle heben sich die waagerechten Komponenten vollkommen auf.

Während nach Abb. 1 und 2 das aus zwei starr miteinander verbundenen Einzelorganen bestehende schwingende System um eine bzw. mehrere Achsen schwingt (oszilliert), ist in Abb. 3 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die durch die Verbindungsstangen i und I₁ starr verbundenen, auch hier zweckmäßig auf gleiche Frequenz abgestimmten schwingenden Systeme b, a, b und O₁, A₁ und fcj Schwingungen in einer Geraden ausführen. Auch hier ist ein Kurbeltrieb g, h vorhanden, der eine Koppelfeder k abwechselnd in der einen oder anderen Richtung spannt und damit die schwingenden Massen α und a_± in entgegengesetzter Richtung zum Ausschlag bringt. Die durch Druck- und Zugbeanspruchung der Federn b, b und b_v b_x auf das Fundament übertragenen Kräfte heben sich, wie ohne weiteres einzusehen ist, auf.

Auch in diesem Falle kann, wie in Abb. 4 dargestellt, durch entsprechende Übersetzung der Verbindungsstangen i, I₁ und Abänderung der Massen bzw. der Federabmessungen, d.h. durch großen Hub und kleine Masse auf der einen Seite bzw. durch kleinen Hub und entsprechend größere Masse auf der anderen Seite, ein Ausgleich der Kräfte hergestellt werden. Ist die starre Verbindung der beiden schwingenden Massen unerwünscht, so kann auch bei Anwendung elastischer Mittel ein Ausgleich gefunden werden, wenn man zwei schwingungsfähige Gebilde α, b und Ci₁ und b_x nach Abb. 5 unter Zwischenschaltung zweier Kopplungen k und ^₁ und zweier um i8o° gegeneinander gekröpfter Kurbeln g und g_x mittels der Pleuelstangen h und Ji₁ antreibt, doch müssen hierbei die schwingenden Systeme unter allen Umständen gleichgestimmt sein, no

Auch im Beispiel gemäß Abb. 6 sind zwei Massen α und Ct₁ bzw. je zwei Federnd, b und b_v b_v ferner zwei Kopplungen k und k_v zwei Pleuelstangen h und A₁ und zwei um 180° versetzte Kurbelng", g_x vorhanden. ng

In Abb. 7 ist eine Anordnung oszillierend schwingender Systeme gezeigt, bei denen die Kopplungen k, Ji₁ baulich von den vorher beschriebenen abweichen; im übrigen aber stimmt dieses System mit den in Abb. 5 und gezeigten überein. Die in der Schwin-

gungsrichtung entstehenden Kräfte heben sich auch bei vorliegendem Beispiel vollkommen auf.

Abb. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden Systeme a, b und a_lt b_t ineinandergeschachtelt sind; eine andere Art der Ineinanderschachtelung ist in Abb. 6 dargestellt.

Gemäß Abb. io sind zwei Massen a_t und

ίο fl„ beispielsweise als Siebe ausgebildet, die durch Blattfedern b₁ und b₂ unterstützt und durch die Kopplungen k₁ und Jt₂ gemeinsam vom Kurbeltrieb g, h angetrieben werden. An Stelle der beiden Kopplungen k_t und k₂ kann auch nach Abb. 11 eine Kopplung k Verwendung finden.

Ebenso kann auch, wie Abb. 12 zeigt, der Antrieb durch zwei auf ihrer Welle um i8o° versetzte Exzenter e_x und e₂ erfolgen.

Die Anwendung nach Abb. 13 entspricht \ der nach Abb. 6, doch erfolgt der Antrieb durch einen Kurbeltrieb g, h unter Zwischenschaltung eines die Bewegungsrichtung umkehrenden Hebels ί zwischen die Kopplun-

^a5 gen k_x und k₂.

Abb. 14 zeigt die Anwendung eines derartigen Mechanismus auf einen Explosionsmotor. Die Kolben % und a₂ bilden die schwingenden Massen, die durch den Umkehrhebel i gegenläufig geführt sind. Die elastischen Mittel werden in diesem Falle von den Gaskissen der beiden Arbeitszylinder b₁ und b₂ und des für beide Kolben gemeinsamen Kompressionszylinder b₃ gebildet. Die Leistungsaufgabe erfolgt über den Drehpunkt des Umkehrhebels i nach außen und die Kopplung k auf dem Kurbeltrieb g, h.

Die Anordnung nach Abb. 15 unterscheidet sich von der nach Abb. 14 dadurch, daß der Arbeitszylinder b_s für beide Kolben gemeinsam ist und die Zylinder Jb₁ und b₂ als Kompressionszylinder ausgebildet sind. Die beiden Kolben a_x und a₂ wirken auf zwei Hebel I₁ und u, von welchen der eine, i_v als

+5 Umkehrhebel ausgebildet ist und welche durch eine Kuppelstange L verbunden sind. Von dieser aus erfolgt die Leistungsabgabe über die Kopplung k auf den Kurbeltrieb g, h.

Abb. 16 zeigt zwei in einer Geraden schwingende Systeme, bestehend aus den Massen α und Ci₁ und den Pufferfedern b und b_v angetrieben durch die um i8o° gekröpfte Doppelkurbel g mittels zweier Massenkopplungen Ii und Ze₁, wie solche grundsätzlich an Stelle jeder elastischen Kopplung Anwendung finden können.

Abb. 17 zeigt eine andere Ausführungsform zweier in einer Geraden schwingenden Systeme b, a, b und b_1; a_v b_x, welche durch die Massenkoppluugen k und k_t erregt werden, die ihrerseits dadurch in i8o°iger Phasenverschiebung gehalten werden, daß sie durch zwei gegenläufige Zahnräder von gleicher Zahnzahl s und S₁ verbunden sind. Der Antrieb beider Systeme erfolgt durch die Riemenscheibe r.

Bisher wurde der Kräfteausgleich bei oszillierenden und in einer Geraden schwingenden Systemen gezeigt. In Abb. 18 ist ein Kräfteausgleich für einen Kreisschwingsatz dargestellt. H₁ ist die Masse und b_t das elastische Mittel eines Kreisschwingungen ausführenden Systems. a₂ ist die ringförmig ausgebildete, um die Masse a_x angeordnete Masse eines zweiten Kreisschwingsatzes, dessen elastische Mittel b₂, b_t, b₂ sind. Die Erregung dieser beiden Kreisschwingsätze erfolgt in gleichem Drehsinn, jedoch in einer Phasenverschiebung von i8o°, durch die an der Masse Ci₁ angreifende Kopplung k₁ und die an der Masse a₂ angreifenden Kopplungen k₂, k₂, k„. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Kreisschwingsätzen wird dadurch dauernd aufrechterhalten, daß die drei Kopplungen k₂ an einer Kurbel g₂ angreifen, welche gegen die Angriffsstelle der Kopplung &j an der Kurbelscheibe g₁ um 180° versetzt ist. Auch für diese Kreisschwingungen ausführenden Systeme heben go sich die waagerechten Komponenten vollkommen auf, wenn die beiden Massen % und a„ bei gleichem Ausschlag gleiche Gewichte haben oder die Ausschläge sich umgekehrt verhalten wie die (nicht gleichen) Gewichte.

Die Anwendung eines massenausgeglichenen und daher nach außen ebenfalls praktisch erschütterungsfreien Kreis- oder Taumelschwingsatzes zeigt beispielsweise Abb. 19. Hier ist die Masse a_x symmetrisch um die i_Oo Pendelstange ^₁ angeordnet. Die Masse a₂ wird von einem Elektromotor gebildet, welcher an der Kurbel g befestigt ist und um die Achse der Pendelstangeöi umläuft, indem sich seine Riemenscheibe auf einer an der Masse O₁ befestigten ringförmigen Fahrbahn/ abwälzt. Seine Drehzahl wird so eingestellt, daß seine Utmlaufzahl um die Achse b_x gleich der Schwingungszahl des schwingenden Systems Ci₁, Zb₁ ist. Dann verhält sich ganz no von selbst die Masse Ci₁ zu ihrem Ausschlage umgekehrt wie die Masse a₂ zu ihrem Ausschlag y, und der Antriebsmotor a₂, der mit der Masse a_t durch die Kurbel g massengekoppelt ist, hat das Bestreben, sich in einer n₅ Phasenverschiebung von etwa i8o° zur Masse Ci₁ zu halten, da er sich hier in der tiefsten Stelle der infolge der Schwingung des Systems a_t, b„ geneigten Fahrbahn f befindet. Die Kurbel g wird überflüssig, wenn die als Masse a₂ wirkende Energiequelle zwangsläufig in einer Bahn geführt wird.

Kreisende oder schwingende Bewegungen können auch außerhalb der Eigenfrequenz zur Arbeitsverrichtung venvendet werden. Der Wirkungsgrad ist j edoch am besten, wenn die beiden Schwingungen ausführenden Systeme aufeinander abgestimmt werden.

Es ist bekannt, ein im Erdfeld schwingendes Pendel, das zum Regeln des Ablaufes

ίο eines Uhrwerkes bestimmt ist, mit diesem Uhrwerk über eine Kurbel und eine elastische Feder zu verbinden (amerikanische Patentschrift 221 490). Über die Gesetzmäßigkeit der technischen Maßnahmen bzw. das

»5 die lose Kupplung betreffende naturwissenschaftliche Gesetz ist in dem genannten Patent nichts offenbart. Ferner ist es bekannt, ein aus zwei durch eine Gelenkverbindung gekuppelten Teilen bestehendes, der Ausführung von Schwingungen fähiges System mit seinem Antrieb starr zu kuppeln (deutsche Patentschrift 48 076).

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Kraft- und Massenausgleich bei schwingenden Systemen, bestehend aus zwei sehwingungsfähigen, mechanischen Gebilden und einem oder zwei losen Koppelorganen, die so mit dem schwingungsfähigen Gebilde direkt oder durch Zwischenschaltung von Hilfsorganen verbunden sind, daß sie die beiden schwingungsfähigen Gebilde zu Schwingungen bei i8o° oder nahezu 180° Phasenverschiebung anregen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausschläge der gegeneinanderwirkenden, frei schwingenden Systeme umgekehrt verhalten wie ihre schwingenden Massen.

3. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen- und Kraftwirkung zweier frei schwingender, gegeneinanderwirkender Systeme von verschiedener Masse und verschiedenem Ausschlag durch Gleichstimmung ausgeglichen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei frei schwingende Systeme bzw. ihre Massen zum Zwecke des Kraft- und Massenausgleiches ineinandergeschachtelt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg, den die schwingende Masse zurücklegt, auf einer Geraden oder offenen oder geschlossenen Kurve (Ellipse, Kreisbogen usw.) liegt oder die schwingende Masse eine Taumelbewegung ausführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Systeme durch eine einzige lose Kopplung erregt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Systeme durch ein einziges erregendes System (Kurbel usw.) angetrieben werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinanderwirkenden Einzelsysteme durch eine beliebige lose Kopplung (elastische Kopplung, Massen-, Reibungs- oder Zeitkopplung) mit 'dem oder den erregenden Syste- 75 " men verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Leistungsübertragung die Kolben (von Explosionsmotoren usw.) als frei schwingende Systeme mit gegeneinanderwirkenden, ausgeglichenen Massen ausgebildet sind und über eine lose Kopplung (elastische, Massen-, Reibungs- oder Zeitkopplung) mit dem getriebenen Systern, welches ein Freilauf, eine Kurbel oder sonst ein umlaufendes oder hin und her gehendes Organ sein kann, verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, da- gu durch gekennzeichnet, daß eine pendelnd oder zwischen Federn aufgehängte Masse dadurch zu Kreisschwingungen oder Taumelschwingungen angeregt wird, daß ein an einem Kurbelarm gelagerter oder in einer um die Mittelachse herumlaufenden Fahrbahn geführter Motor als Antriebsquelle den Schwerpunkt der Masse umkreist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreisschwingsystem durch ein umlaufendes Mittel dadurch zu Kreisschwingungen angeregt wird, daß das umlaufende Mittel bei niedriger Umlauf zahl auf Grund seines Eigengewichtes die Massen zum Ausweichen bringt, bei höherer Umlaufzahl auf Grund seiner Fliehkraft in Schwingungen erhält und in beiden Fällen automatisch eine i8o°ige oder nahezu no i8o°ige Phasenverschiebung aufrechterhält.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen