-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Aufhängungssysteme
zum Isolieren und zum Reduzieren der Übertragung einer Schwingungsbewegung
zwischen einem Gegenstand und einer Basis, und bezieht sich insbesondere
auf ein kompaktes, in allen Richtungen wirkendes Isolierungs- und
Aufhängungssystem,
das eine niedrige Steifigkeit aufweist, eine hohe Dämpfung zum
Begrenzen von resonanten Antworten des Systems, eine effektive Isolierung
bei den höheren
Frequenzen, hohe Resonanzfrequenzen des Isolators, und das veränderliche
Gewichtsbelastungen aufnehmen kann, ohne daß die Leistungsfähigkeit
des Isolierungssystems wesentlich verschlechtert wird. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auch mehr im einzelnen auf eine Klasse von
Aufhängungssystemen, die
eine Isolierung mit sechs Freiheitsgraden (Translation und Rotation
in allen Richtungen) bereitstellt, wobei das Isolatorsystem eine
einzelne kompakte Anordnung ist, die zentriert unterhalb der Plattform nach
Art eines Auflagers angeordnet ist, anstelle einer Anordnung von
drei oder vier Isolatoren, die entlang des Umfangs der Plattform
verteilt angeordnet sind.
-
Beschreibung
des Stands der Technik
-
Die
Probleme, die durch unerwünschte Schwingungen
bei Ausrüstungsgegenständen, Vorrichtungen
und Verfahren hervorgerufen werden, die extrem bewegungsempfindlich
sind, sind weithin untersucht worden, und zahlreiche Lösungen sind
vorgeschlagen und entwickelt worden, um die Übertragung von Schwingungsbewegungen
zu verhindern oder zu reduzieren. Viele der Vorrichtungen, die dafür ausgelegt
sind, die Übertragung
von unerwünschten Schwingungen
zwischen einem Gegenstand und seiner Umgebung zu reduzieren, und
die üblicherweise als
Schwingungsisolatoren oder Aufhängungsvorrichtungen
bezeichnet werden, setzen unterschiedliche Kombinationen von Elementen
ein, wie etwa elastische Polster, die aus einer Vielfalt von Materialien
hergestellt werden, unterschiedliche Arten von mechanischen Federn,
und pneumatische Vorrichtungen. Mit derartigen speziellen Isolierungsvorrichtungen
aus dem Stand der Technik hängen
allerdings Nachteile und Unzulänglichkeiten
zusammen, die sie daran hindern, niedrige Eigenfrequenzen des Systems
zu erhalten und Resonanzantworten auf niedrige Werte zu begrenzen,
während
eine hohe Isolierungsleistung bei den höheren Frequenzen zur Verfügung gestellt
wird.
-
Diese
Unzulänglichkeiten
und Nachteile von Systemen aus dem Stand der Technik waren das Ziel der
Entwicklung von neuartigen Schwingungsisolierungsystemen und neuartigen
Vorrichtungen und Verfahren zum Nachrüsten von vorhandenen Schwingungsisolierungssystemen,
wie sie etwa in der US-A-5178357 beschrieben sind. Das spezielle Schwingungsisolierungssystem,
das in dieser Veröffentlichung
beschrieben ist, stellt eine vielseitig nutzbare Schwingungsisolierung
zur Verfügung,
dadurch, daß eine
niedrige Steifigkeit in einer axialen Richtung, die im allgemeinen
mit der Richtung der Nutzlast übereinstimmt,
und in einer beliebigen Richtung, die im wesentlichen quer zu der
axialen Richtung ist, im allgemeinen eine horizontale Richtung,
bereitgestellt wird. Jeder Isolator ist so ausgelegt, daß er die axiale
oder die transversale Komponente einer beliebigen Schwingungstranslation
isoliert, um effektiv Schwingungen entlag oder um eine beliebige
Richtungsachse zu isolieren. In den nachfolgenden Erörterungen
wird auf einen Axialbewegungsisolator als ein Vertikalbewegungsisolator
Bezug genommen, und auf das System von Axialbewegungsisolatoren wird
als das System zum Isolieren von vertikalen Bewegungen Bezug genommen.
In ähnlicher
Weise wird auf einen Transversalbewegungsisolator als ein Horizontalbewegungsisolator
Bezug genommen, und auf das System von Transversalbewegungsisolatoren
wird als das System zur Isolierung von horizontalen Bewegungen Bezug
genommen.
-
In
der Ausführungsform,
die in der vorstehend genannten Veröffentlichung beschrieben ist, beruht
der Isolator auf einem speziellen Prinzip der Belastung einer speziellen
elastischen Struktur, die den Isolator oder einen Teil davon bildet
(wobei die Belastung entweder durch das abgestützte Gewicht oder durch einen
externen Belastungsmechanismus aufgebracht wird), damit man sich
dem Punkt der elastischen Instabilität der elastischen Struktur
nähert.
Diese Belastung, um sich dem Punkt der elastischen Instabilität zu nähern, die
auch als die kritische Beullast der Struktur bezeichnet wird, hat
eine erhebliche Reduktion entweder der vertikalen oder der horizontalen
Steifigkeit des Isolators zur Folge, um ein Isolierungssystem zu
erzeugen, das eine niedrige Steifigkeit in der vertikalen und in
einer beliebigen horizontalen Richtung aufweist und vergrößert die Dämpfung,
die inhärent
in der Struktur vorhanden ist. Obwohl die Steifigkeit reduziert
ist, behalten derartige Isolatoren weiterhin ihre Fähigkeit
bei, die Nutzlast zu tragen.
-
Wenn
die Belastung auf einer elastischen Struktur mit einer Instabilität größer ist
als die kritische Beullast, neigt die exzessive Belastung dazu, die
Struktur in ihre gebeulte Form zu treiben, wodurch ein Mechanismus
mit negativer Steifigkeit oder mit negativer Federkonstante erzeugt
wird. Durch eine Kombination zwischen einem Mechanismus mit negativer
Steifigkeit und einer Feder, so eingestellt, daß die negative Steifigkeit
die positive Steifigkeit der Feder aufhebt oder nahezu aufhebt,
erhält
man eine Vorrichtung, die an oder in die Nähe ihres Punkts der elastischen
Instabilität
gebracht werden kann. Die Größe der Last,
die die negative Steifigkeit zur Folge hat, kann eingestellt werden,
so daß ein
Isolator erzeugt wird, der auf die spezielle gewünschte Steifigkeit „fein eingestellt" werden kann.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung, die durch Anspruch 1 festgelegt ist, führt zu einem
Isolationssystem, das unüblich
kompakt und einfach ist, ohne daß irgendwelche Leistungsmerkmale
beeinträchtigt
werden. Masseneigenschaften der Plattform und die Kippbiegesteifigkeit
können
eingestellt werden, so daß die
Plattform in passiver Weise einen kleinen Betrag an Umverteilung
in bezug auf das Gewicht der Nutzlast aufnehmen kann, was beispielsweise
in Systemen mit sich bewegenden Abschnitten auftritt. Besondere
und wesentliche Verbesserungen sind auch zu dem Isolierungsmechanismus
mit einem Vorspannungs- bzw. Vorbelastungssystem mit radialer Durchbiegung
hinzugefügt
worden, bei dem ein inneres Spannteil und eine weiche Feder verwendet werden,
das in sich abgeschlossen ist, anstelle daß ein separater externer Belastungsweg
zum „Boden" erforderlich ist.
Dieses Vorbelastungsverfahren kann in einer neuartigen symmetrischen
Anordnung von vertikalen Plattenbiegungen verwendet werden, die eine
potentielle Quelle von vertikaler und seitlicher Bewegungskopplung
vermeidet. Dieses Vorbelastungsverfahren vereinfacht erheblich die
Prozesse der Vorbelastung der radialen Durchbiegung und der Feinabstimmung.
Die vorliegende Erfindung weist wahlweise auch eine Verbesserung
auf, dadurch, daß auf
der Einstellschraube für
vertikale Belastung ein Zahnrad angeordnet wird, so daß sie durch
ein auf einer Welle angebrachtes Schneckenzahnrad angetrieben werden
kann. Die Welle erstreckt sich aus dem Isolator heraus, so daß die manuelle
Einstellung besser möglich
ist.
-
Kurz
zusammengefaßt
richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine einzelne Isolatorplattform, insbesondere
auf die Anordnung und Funktion der Komponenten des Isolators, die
eine effektive, in allen Richtungen wirkende Schwingungsisolierung
in einer einzelnen Isolatorauslegung möglich macht. Die vorliegende
Erfindung ist auf eine Plattform und eine Trag- bzw. Nutzlast gerichtet,
deren kombinierter Schwerpunkt (CM, center-ofmass) dazu gebracht wird,
mit dem vertikalen, horizontalen und rotationsmäßigen Kraftzentrum des Isolators
zusammenzufallen oder nahezu zusammenzufallen. Die vertikalen und
horizontalen Kraftzentren des Isolators sind solche Punkte, an denen
kleine vertikale oder horizontale Kräfte, die auf den Isolator aufgebracht
werden, lediglich vertikale oder horizontale Verlagerungen zur Folge
haben, ohne daß eine
Rotation auftritt. Das rotationsmäßige Kraftzentrum ist der Punkt,
an dem ein kleines Drehmoment, das auf den Isolator aufgebracht
wird, lediglich eine Rotation zur Folge hat, und keine Translation.
Dieses Verfahren funktioniert mit jeglichem Isolator mit sechs Freiheitsgraden,
der einen gemeinsamen Punkt besitzt, durch den die resultierenden
vertikalen, horizontalen und rotationsmäßigen Reaktionskräfte wirken.
Dieser Punkt ist bei der vorliegenden Erfindung der mittlere Punkt
der Kippbiegung. Eine Anordnung des gemeinsamen Schwerpunkts an
oder in der Nähe
des mittleren Punkts der Kippbiegung führt zu diesem wesentlichen
Merkmal bei der vorliegenden Erfindung.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung wird eine Plattform mit solchen Masseneigenschaften
verwendet, daß dann,
wenn eine Kombination mit den Eigenschaften der Traglast erfolgt,
ein gemeinsamer Schwerpunkt die Folge ist, der sich an oder sehr nahe
dem mittleren Punkt der Kippbiegung befindet. Die Kippbiegung ist
abgestützt
auf und ist wirkungsmäßig in Reihe
mit dem Horizontalbewegungsisolator, der auf der Basis oder dem
schwingenden Fundament abgestützt
ist. Kleine Verschiebungen im Schwerpunkt der Traglast, wie sie
beispielsweise bei einer schrittweisen Bewegung eines Abschnitts
auftreten können,
werden durch eine Kippbiegung mit einer ausreichenden Steifigkeit
aufgenommen, um einem statischen Ungleichgewicht zu widerstehen,
zusammen mit einer ausreichenden Rotationsträgheit, um eine Winkelbeschleunigung
als Begleiterscheinung zu begrenzen. Kleine lose Gewichte können an der
Plattform zum anfänglichen
Ausrichten angebracht werden. Ein Ausrichten zentriert die Traglastplattform
in bezug auf die Kippanschläge
zum Zwecke einer gleichen Aufnahmefähigkeit von Kippbewegungen
in allen Richtungen und hält
den gemeinsamen Schwerpunkt unmittelbar oberhalb der Kippbiegung,
um eine Kopplung von Kipp- und vertikalen Bewegungen zu vermeiden.
Eine vertikale Anordnung des Schwerpunkts in bezug auf die Kippbiegung
ist von Bedeutung, um eine Kopplung von Kipp- und Querbewegungen
zu minimieren oder tatsächlich
zu eliminieren.
-
Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein neuartiges und einfaches Mittel
zum Ausbringen und zum feinen Einstellen einer Vorbelastung auf
die radialen Biegungen vorhanden. Diese Vorbelastung stellt eine
negative Steifigkeit in der vertikalen Richtung bereit. Eine Vorbelastung
wird bei der vorliegenden Erfindung einfach dadurch erreicht, daß eine Einstellschraube
einer Belastungsfeder gedreht bzw. angezogen wird, nachdem die Einheit
ausgerichtet und zusammengesetzt ist.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung geht ein Spannmittel, d. h. ein Spannbolzen,
geradlinig durch eine Öffnung,
die mit großem
Abstand bzw. Spiel versehen ist, und die in der mittleren Nabe angebracht ist,
und ist wirkungsmäßig an den
entfernten Enden der gegenüberliegenden
radialen Biegungen befestigt. Bei dieser Vorrichtung ist ein separater
Belastungsweg zum „Boden" nicht erforderlich,
wie er durch die Belastungs-Kragarme und Einstell-Kragarme bei zuvor
beschriebenen Ausführungsformen dargestellt
wurde. Anstelle „schwimmt" er zusammen mit
der mittleren Nabe und der Unterbaugruppe der radialen Biegungen.
Zwischen einem Ende des Zugbolzens und dem entsprechenden äußeren Ende
von einem Satz von radialen Biegungen befindet sich eine weiche
Gesenkfeder, die ein höheres
Maß an Nachgiebigkeit
und eine in größerem Maße konstante
Vorbelastungskraft bereitstellt, als dies mit den Einstell- und
Belastungs-Kragarmen möglich
war, so daß ein
längerer
Bewegungsweg des vertikalen Isolators möglich ist.
-
Je
größer der
Weg ist, der in einen Insolator eingebaut werden kann, desto größer ist
die Verlagerungsstörung,
die aufgenommen werden kann, und somit ist auch die Leistungsfähigkeit
um so besser. An seinem anderen Ende ist der Zugbolzen mittels Gewinde
in einen Block geschraubt, so daß die Einstellung oder Vorgabe
der radialen Vorbelastung der Biegung – sowohl grob als auch fein – dadurch
erzielt wird, daß dieses
Spannteil in den Block hinein oder aus dem Block heraus gedreht
wird.
-
Damit
diese neuartige Vorgehensweise der Vorbelastung funktioniert, muß die Tragstruktur
am anderen Ende der radialen Biegungen auf zumindest einer Seite
in hohem Maße
an die Steifigkeit der Gesenkfeder angepaßt sein, da die Vorbelastung
bei einer Auslenkung der mittleren Nabe nämlich in Übereinstimmung mit der Steifigkeit
dieses äußeren Abstützpunkts
und mit dem Maße,
in dem sich die radialen Biegungen verkürzen, reduziert werden wird. Bei
der vorliegenden Erfindung wird diese Anpassung durch eine einzelne
dünne,
aber breite „Metallblech"-Biegung bereitgestellt.
Die Breite stellt die benötigte
Steifigkeit in der Richtung senkrecht zu den radialen Biegungen
bereit, und die reduzierte Dicke liefert eine Nachgiebigkeit bzw.
Anpassung in der radialen Richtung.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind elastomerische Dämpfungselemente in dem Schwingungsisolationssystem eingebaut,
um die Transmissibilität
bei den Eigenfrequenzen des Systems zu kontrollieren. Das elastomerische
Material zeigt den gewünschten,
nahezu klassischen viskoelastischen Dämpfungseffekt. Die Elemente
sind an Teilen des Isolators befestigt, die sich relativ zueinander
bewegen, wobei die relative Bewegung einen Freiheitsgrad repräsentiert,
der zu isolieren ist. Jeder einzelne Freiheitsgrad kann selektiv
gedämpft
werden. Eine symmetrische Anordnung von Elementen wird normalerweise
für jeden
einzelnen gedämpften
Freiheitsgrad verwendet. Unterschiedliche Formen, wie beispielsweise
Zylinder oder U-förmige
Kanäle
und Dicken werden verwendet, um spezielle Ausmaße der Dämpfung für jeden einzelnen Freiheitsgrad
zu erzielen. Beispielsweise kann eine Dämpfung lediglich für die Kippbewegung
durch einen Satz von drei U-förmigen
Elementen bereitgestellt werden, die zwischen der Trag- bzw. Nutzlastplatte
und der oberen Säulenplatte
angeordnet sind, jeweils an einer gleichen Entfernung von dem Mittelpunkt
des Isolators und in einem Winkelabstand von 120°. Der Isolator weist einfache
Merkmale an seinen Grenz- bzw. Zwischenflächen auf, die derart ausgelegt
und eingebaut sind, daß die
Dämpfungselemente
in einfacher Weise nachträglich
eingebaut, entfernt oder ausgetauscht werden können.
-
Die
vorliegende Erfindung verbessert die Leistungsfähigkeit dadurch, daß eine Quelle
einer Kopplung zwischen den vertikalen und lateralen Bewegungen
eliminiert wird. Der Mechanismus der Vertikalbewegung muß in einer
steifen Weise in lateraler Richtung eingeschränkt bzw. eingespannt werden, um
die Stabilität
des Mechanismus aufrechtzuerhalten und um niedrige interne Resonanzen
des Isolators zu vermeiden. Die zentrale Nabe und die Unterbaugruppe
der radialen Biegung ist auf allen vier Seiten in einer ausgewogenen
Art und Weise durch vertikale Biegungen vom Plattentyp oder Metallblechbiegungen
eingeschränkt,
die die mittlere Nabe gegenüber
einer seitlichen bzw. lateralen Bewegung durch einen innerhalb der
Ebene liegenden Scherungswiderstand einspannen. Die dünne und
breite Metallblechbiegung stützt
das äußere Ende
der radialen Biegungen auf beiden Seiten der mittleren Nabe ab, nicht
nur auf einer. Ein weiteres Paar von Metallblechbiegungen sind in
einer ähnlichen
Art und Weise in der gleichen Ebene, aber senkrecht zu den radialen
Biegungen angeordnet und sind an der mittleren Nabe durch ein entsprechendes
Paar von sehr dünnen
und breiten (radialen) Plattenbiegungen befestigt. Auf diese Weise
wird eine seitliche Bewegung der mittleren Nabe durch die gleiche
Art von Mechanismus in beiden Richtungen, die wechselweise senkrecht
zueinander sind, verhindert. Die Plattenbiegungen sind von ihrer
An her sehr steif gegenüber einer
innerhalb der Ebene liegenden Scherungsverformung.
-
Eine
Unterbaugruppe mit Schneckengetriebe ist als ein verbessertes Mittel
zur Einstellung der Last hinzugefügt worden. Während des
Aufbaus und der Einstellung muß die
vertikale „Null"-Stellung der realen,
wirkenden Nutz- bzw. Traglast auf einen mittleren Punkt des vertikalen
Hubs eingestellt werden. Dies wird mit Hilfe einer Lasteinstellschraube
erreicht, die den Sockel der die wesentliche vertikale Last tragenden
Feder anhebt oder absenkt. Die Einstellschraube befindet sich in
der Mitte des Isolators, und in der vorliegenden Erfindung weist
die Schraube einen äußeren Umfang
mit einer zahnradartigen Verzahnung auf, die mit einen Schneckenrad
in Eingriff steht, das auf einer Welle angebracht ist, die sich durch
die Abdeckung der Isolatoranordnung nach außen erstreckt. Das freiliegende
Ende der Welle kann leicht von Hand gedreht werden.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine Seitenansicht von einer Ausführungsform eines Schwingungsisolierungssystems,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, wobei ein Isolator, eine gewichtsbelastete Plattform
und eine Trag- bzw. Nutzlast dargestellt ist;
-
2 zeigt
eine Draufsicht auf das Isolierungssystem, das in 1 dargestellt
ist;
-
3 zeigt
eine teilweise seitliche Querschnittsansicht des Isolators, der
in 1 dargestellt ist, entlang der Linie 3 – 3;
-
4 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht von oben auf den Isolator, der
in 1 dargestellt ist, entlang der Linie 4 – 4 in 3;
-
5 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht von oben auf den Isolator, der
in 1 dargestellt ist, entlang der Linie 5 – 5 in 3;
-
6 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht von oben auf den Isolator, der
in 1 dargestellt ist, entlang der Linie 6 – 6 in 3.
-
Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
-
Wie
in den Zeichnungen zu Zwecken der Erläuterung dargestellt ist, verkörpert sich
die vorliegende Erfindung in einem kompakteren Schwingungsisolierungs-
und Aufhängungssystem,
das eine Nutz- bzw. Traglast aufweist, die auf einer ausgewogenen
oder gewichtsbelasteten Plattform abgestützt ist, die ihrerseits auf
einem einzelnen Schwingungsisolator abgestützt ist. Vertikalbewegungsisolatoren, die
entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, sind zu
größeren vertikalen
Auslenkungen mit einer geringeren Versteifung aufgrund von nichtlinearen
Effekten in der Lage, zu einer einfacheren Einstellung der vertikalen
Steifigkeit und einer möglichen
verbesserten Leistungsfähigkeit
durch die Eliminierung einer möglichen
Quelle einer Kopplung zwischen einer Vertikalbewegung und einer
Horizontalbewegung.
-
1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Isolierungssystems, das entsprechend der vorliegenden Erfindung
ausgebildet ist. Bei dem System 10 wird ein einzelner zusammengesetzter
Isolator 12 mit sechs Freiheitsgraden eingesetzt, der eine
ausgewogene Plattform 14 abstützt, die ihrerseits eine Nutzlast
oder Traglast 15 mit einem Schwerpunkt (center-of-mass
CM) 17 abstützt.
Der Isolator 12 und die Plattform 14 stützen die
Traglast 15 relativ zu einem Fundament 16 ab und
reduzieren die Übertragung von
in allen Richtungen wirkenden Schwingungen zwischen der Nutzlast 15 und
dem Fundament 16.
-
Unter
Bezugnahme nunmehr auf 1 und 2 ist eine
Ausführungsform
einer gewichtsbelasteten Plattform dargestellt. Die Plattform 14 weist eine
obere Plattform 19 auf, die mit einem Gewichtsring 21 durch
vier Rohre 23 und mit Gewinde versehene Stangen 25 verbunden
ist, die in die Platte 19 geschraubt sind und die Platte 19,
den Ring 21 und die Rohre 23 mit Muttern 25 zusammenhalten.
Der Gewichtsring 21 senkt den Schwerpunkt der Plattform 14 ab,
so daß der
gemeinsame Schwerpunkt der Plattform 14 und der Nutzlast 15 mit
dem Schwerpunkt 17 bei oder sehr nahe an dem Mittelpunkt
der Kippbiegung des Isolators 12 ist, der dem vertikalen, horizontalen
und drehungsmäßigen Mittelpunkt
des Isolators entspricht.
-
Mit
dieser Konfiguration ist eine Kopplung von Kipp- und horizontaler
Bewegung und eine Kopplung zwischen einer vertikalen und einer Kippbewegung
eliminiert oder nahezu eliminiert. Die Anordnung des Schwerpunkts
der Nutzlast unmittelbar oder nahezu unmittelbar oberhalb der Kippbiegung kann
dadurch erreicht werden, daß die
Nutzlast 15 auf der Plattform 14 bewegt wird,
oder dadurch, daß lose
Gewichte, die nicht dargestellt sind, auf der Plattform bewegt werden.
Dadurch wird die Plattform 14 auch ausgerichtet, so daß sie daran
gehindert wird, von Kippanschlägen
in den Isolator wegzutreiben.
-
Nunmehr
auf 1, 3, 4, 5 und 6 Bezug
nehmend ist eine Ausführungsform eines
Isolators dargestellt, der in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Isolator weist einen
Vertikalbewegungsisolator auf, der in vertikaler Richtung in Reihe
mit einem Horizontalbewegungsisolator wirkungsmäßig verbunden ist, der in Reihe
in vertikaler Richtung mit einem Kippbewegungsisolator wirkungsmäßig verbunden
ist. Die Vertikalbewegungs-, Horizontalbewegungs- und Kippbewegungsisolatoren
sind in der gleichen allgemeinen Konfiguration angeordnet, wie dies
bei der parallelen Anmeldung der Fall ist.
-
Der
Vertikalbewegungsisolator nach der vorliegenden Erfindung weist
eine Tragfeder 18 in Form einer Schraubenfeder auf, die
wirkungsmäßig zwischen
einer zentralen Nabenanordnung 20 und einer Sockelplatte 22 angeschlossen
ist, die mit dem Fundament 16 durch drei Ausgleichsschrauben 24 verbunden
ist. Die zentrale Nabenanordnung 20 weist einen zentralen
Block 63 auf, ein zentrales Spannglied 65, eine
zentrale Platte 67 und die obere Federabstützung 29,
die mit Schrauben 69 und 39 zusammengespannt sind.
Ein Mechanismus mit negativer Steifigkeit ist ebenfalls an die zentralen
Nabenanordnung 20 angeschlossen, um eine Steifigkeit von
der Tragfeder 18 zu eliminieren, und umfaßt die in
radialer Richtung zusammengedrückten
radialen Biegungen 60. Spannglieder 32 halten
die Tragfeder 18 an der oberen Federabstützung 29 und
an einer unteren Federabstützung 30 und
einer Antidrehungseinrichtung 31. Verbesserungen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung umfassen das Mittel zum Tragen und
Belasten der radialen Biegungen 60, das Mittel zum Einschränken von
horizontalen Bewegungen der zentralen Nabenanordnung 20 und
das Mittel zum manuellen Anheben und Absenken der unteren Federabstützung 30,
um Veränderungen
in der Gewichtsbelastung aufzunehmen. Diese werden nachstehend beschrieben
werden.
-
Der
Horizontalbewegungsisolator weist drei flexible Trägersäulen 36 auf,
von denen nur eine in 3 dargestellt ist, in Form von
dünnen
zylindrischen Stangen, die wirkungsmäßig zwischen einer unteren
Säulenplatte 38 und
einer oberen Säulenplatte 40 angeschlossen
sind. Die Trägersäulen 36 sind
mittels Preßpassung
in endseitige Beschläge 34 eingepreßt, die
an der oberen Säulenplatte 40 und
an der unteren Säulenplatte 38 mit
Schrauben 33 befestigt sind. Die untere Säulenplatte 38 ist
mit einer Schraube 37 mit einer starren Tragspindel 42 verbunden.
Die Tragspindel 42 ist mit einer Schraube 39 mit der
oberen Federabstützung 29 und
mit der zentralen Platte 67 verbunden, die einen Teil der
zentralen Nabenanordnung 20 bilden, so daß auf diese
Weise ein relativ steife Verbindung zwischen der Oberseite des Vertikalbewegungsisolators
und mit der Unterseite des Horizontalbewegungsisolators gebildet
wird. Die obere Säulenplatte 40,
die die Oberseite des Horizontalbewegungsisolators darstellt, ist
mit einer oberen Befestigungsplatte 46 durch eine Kippbiegungsanordnung 48 verbunden,
die als der Kippbewegungsisolator wirkt. Die Kippbiegungsanordnung 48 weist eine
Kippbiegung 41 auf, die eine dünne zylindrische Stange ist,
die in endseitige Beschläge 43 und 44 mit Preßpassung
eingesetzt ist, wobei diese an der oberen Befestigungsplatte 46 und
an der oberen Säulenplatte 40 befestigt
sind. Der endseitige Beschlag 41 ist an der oberen Befestigungsplatte 46 mit
einem Halteteil 45 der Kippbiegung und mit Schrauben 47 angebracht.
Der endseitige Beschlag 46 ist an seiner äußeren Oberfläche 50 mit
Gewinde versehen und ist in die obere Säulenplatte 40 eingeschraubt
und mit einer Blockierungsmutter 49 gesichert.
-
Eine
Isolatorabdeckung weist vier Abdeckplatten 100 und vier
Eckplatten 98 auf, die an der Sockelplatte 22 mit
Schrauben 70 befestigt sind. Eine Anschlagplatte 96 ist
ebenfalls an den Deckplatten 100 und an den Eckplatten 96 mit
Schrauben 70 befestigt und dient als der Anschlag für eine Bewegung nach
unten, wobei drei Bewegungsanschläge 102, die um 120° gegeneinander
beabstandet angeordnet sind, an der oberen Säulenplatte 40 mit
Schrauben 104 befestigt sind. Die Bewegungsanschläge 102 dienen
auch als Anschläge
für die
Kippbewegung, um ein Kippen der oberen Befestigungsplatte 46 in bezug
auf die obere Säulenplatte 40 zu
begrenzen.
-
Drei
Kippdämpfer 106,
die mit 120° gegeneinander
beabstandet angeordnet sind, weisen U-förmige
Streifen aus einem viskoelastischen dämpfenden Material auf, das
zwischen der oberen Säulenplatte 40 und
der oberen Befestigungsplatte 46 befestigt ist. Schrauben 112 befestigen
die unteren Enden der Dämpfer 106 an
der oberen Säulenplatte 40 und
die oberen Enden der Dämpfer 106 an Buchsen 108,
die in Löchern
in der oberen Befestigungsplatte mit Feststellschrauben 110 befestigt sind.
-
Vier
radiale Biegungen 60 sind an den Belastungsblock 52,
die zentrale Nabenanordnung 20 und den Federblock 58 gespannt
und sind unter Verwendung einer Spannschraube 50 und einer
Gesenkfeder 56 gespannt. Die Biegungen 60 sind
an den Belastungsblock 52 unter Verwendung von Spannelementen 51 gespannt,
mit Bolzen 53 und Muttern 55, und sie sind an
den Federblock 58 unter Verwendung von Spannelementen 57 mit
Bolzen 59 und Muttern 61 gespannt. Sie sind an
die zentrale Nabe zwischen dem Spannelement 65 und der
Platte 67 und dem zentralen Block 63 mit Schrauben 69 gespannt.
Das mit Gewinde versehene Ende 54 der Spannschraube 50 ist
in den Belastungsblock 52 geschraubt, und der Kopf der
Schraube 50 liegt gegen ein Schublager 52 an,
das gegen die Gesenkfeder 56 anliegt, die in den Hohlraum 64 in
dem Federblock 58 versenkt ist. Eine Vorbelastung der radialen
Biegungen 60 und eine Feineinstellung der Belastung, um
den Effekt der negativen Steifigkeit einzustellen, werden beide
durch ein Verdrehen der Schraube 50 erzielt. Die Blöcke 52 und 58 sind
an vertikalen Biegungen 66 aus dünnem Blech durch Schrauben 68 befestigt.
Die Biegungen 66 sind an ihren unteren Enden unter Verwendung von
Schrauben 70 an der Sockelplatte 22 befestigt.
-
Dieses
Verfahren zum Abstützen
und Zusammendrücken
der radialen Biegungen 60 stellt eine konstante kompressive
Kraft auf die Biegungen 60 bereit, dadurch, daß ein weicheres
Federmittel zur Belastung der radialen Biegungen 60 und
eine weichere Tragstruktur in der radialen Richtung ermöglicht wird.
Wenn sich die zentrale Nabe 20 in vertikaler Richtung auslenkt,
verkürzen
sich die radialen Biegungen 60 in der radialen Richtung,
wodurch die kompressive Belastung und der Effekt der negativen Steifigkeit
reduziert werden und die vertikale Steifigkeit des Isolators und
die vertikale Eigenfrequenz des Systems vergrößert werden. Je weicher die
elastische Struktur ist, die die kompressive Belastung bereitstellt,
um so konstanter ist die kompressive Belastung, wenn die zentrale
Nabe weg von ihrer Gleichgewichts- und zentralen Position ausgelenkt
wird, und um so kleiner ist der Anstieg in der vertikalen Steifigkeit
und der vertikalen Eigenfrequenz. In der vorliegenden Anordnung
beeinflussen die Steifigkeit der Gesenkfeder 56 und der
Biegungen 66 die Verminderung in der kompressiven Belastung,
wenn sich die radialen Biegungen 60 verkürzen, da
diese Elemente parallel zueinander wirken. Die Biegungen 66 sind
sehr flexibel in der radialen Richtung parallel zu den radialen
Biegungen, aber sehr steif in der horizontalen Richtung senkrecht
zu den radialen Biegungen. Dieses Verfahren der Abstützung schränkt die
zentrale Nabe gegenüber
Auslenkungen in Richtungen senkrecht zu den radialen Biegungen 60 ein. Zwei
zusätzliche
Scherungsbiegungen 72 aus dünnem Blech sind horizontal
angeordnet und sind unter den unteren radialen Biegungen 60 mit
Schrauben 79 an die zentrale Nabenanordnung 20 und
an Blöcke 76 gespannt.
Die Blöcke 76 sind
an vertikale Biegungen 74 aus dünnem Blech mit Schrauben 78 befestigt.
Die Biegungen 74 sind in der Nähe von ihren unteren Enden
am Rand der Sockelplatte 22 befestigt. Die Scherungsbiegungen 72 sind
steif in Richtungen parallel zu den radialen Biegungen 60 und
schränken die
zentrale Nabe 20 gegenüber
Verlagerungen in dieser Richtung ein. Sie sind sehr flexibel im
Hinblick auf eine Biegung und, gemeinsam mit der hohen Flexibilität der Biegungen 74 in
einer horizontalen Richtung senkrecht zu den Scherungsbiegungen 72,
bringen sie wenig zusätzliche
vertikale Steifigkeit für
den Isolator. Mit dem beschriebenen System von Biegungen, die die
radialen Biegungen 60 abstützen und mit der zentralen
Nabenanordnung 20 und der Sockelplatte 22 verbinden,
ist auf diese Weise die zentrale Nabenanordnung 20 mit
einer großen
Steifigkeit gegenüber
einer Bewegung in der horizontalen Ebene eingeschränkt.
-
Drei
untere Biegungen 80, die in 3 und mit
verdeckten Linien in 6 dargestellt sind, und die
um 120° gegeneinander
beabstandet angeordnet sind und wirkungsmäßig zwischen der unteren Säulenplatte 38 und
der Sockelplatte 22 angeschlossen sind, stellen eine steife
Zwangsbedingung für
die untere Säulenplatte 22 und
für das
untere Ende der Tragspindel 42 gegenüber einer horizontalen Befestigung
bereit. Diese Biegungen mit den anderen Biegungen in dem System
stellen eine steife Zwangsbedingung für die zentrale Nabenanordnung 20 gegenüber sämtlichen
Bewegungen der Masse, die der zentralen Nabenanordnung 20 zugeordnet
ist, der Tragspindel 42 und der unteren Säulenplatte 38 relativ
zu der Sockelplatte 22 bereit, so daß auf diese Weise hohe interne
strukturelle Resonanzen der Isolatorstruktur erzeugt werden, die
diesem Verformungsmodus zugeordnet sind. Diese Moden können die
niedrigsten strukturellen Resonanzfrequenzen des Isolators darstellen.
-
Die
Antidrehungsvorrichtung 31 verhindert eine Torsionsverformung
der Tragfeder 18, wenn die untere Federstütze 30 angehoben
und abgesenkt wird, um Veränderungen
in der Gewichtsbelastung auf den Isolator auszugleichen. Die Antidrehungsvorrichtung 31 weist
eine Platte 88 auf, die an die untere Federstütze 30 mit
Schrauben 89 gespannt ist, und weist einen U-förmigen Schlitz 90 auf,
der mit einem Anschlagzapfen 92 zusammenwirkt, der in eine Öffnung in
der Sockelplatte 22 geschraubt ist und mit einer Verriegelungsmutter 94 gesichert
ist. Die Platte 88 weist ein mit Gewinde versehenes Loch
auf, das mit einem mit Gewinde versehenen Stützrohr 91 zusammenwirkt,
das auf einem Schublager 120 abgestützt ist, welches in einer Vertiefung
in der Sockelplatte 22 aufgenommen ist. Ein Schneckenrad
ist an dem Stützrohr 91 mit
Schrauben 118 befestigt und steht mit der Schnecke 122 in
Eingriff, die auf einer Einstellschraube bzw. Einstellspindel 124 angebracht ist,
die auf Lagerungen in dem Gehäuse 126 läuft, welches
auf der Sockelplatte 22 mit Schrauben 128 befestigt
ist. Die Schnecke ist mit einem Zapfen 130 an der Einstellschraube
bzw. Einstellspindel 124 befestigt. Eine Drehung der Schraube
bzw. Spindel 124 hebt die untere Federstütze 30 an
oder senkt diese ab, um Veränderungen
in der Gewichtsbelastung auf dem Isolator auszugleichen.
-
Ein
neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, wie sie in 1 bis 6 dargestellt
ist, besteht in der Verwendung einer gewichtsbelasteten Plattform
auf einem einzelnen, sechs Freiheitsgrade aufweisenden Isolator,
der in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, um eine kompakte
und effiziente, isolierte Plattform bereitzustellen, um die Übertragung
von Schwingungen zwischen einem Gegenstand und einer Basis zu reduzieren.
Ein wesentliches Merkmal des Isolators, das dessen Verwendung auf
diese Weise ermöglicht, kommt
daher, daß seine
vertikalen, horizontalen und drehungsmäßigen Kraftzentren alle an
einem Punkt zusammenfallen, der dem mittleren Punkt der Kippbiegung 41 in
der Nähe
der Oberseite des Isolators entspricht. Dieses Merkmal resultiert
aus der Verwendung eines Vertikalbewegungsisolators wirkungsmäßig in Reihe
mit einem Horizontalbewegungsisolator, der wirkungsmäßig in Reihe
mit einem Kippbewegungsisolator angeordnet ist. Durch Verwendung
einer gewichtsbelasteten Plattform, deren Schwerpunkt unterhalb
des Kraftzentrums des Isolators liegt, um einen Gegenstand auf der
Plattform ins Gleichgewicht zu bringen, dessen Schwerpunkt oberhalb
des Kraftzentrums des Isolators liegt, kann der kombinierte Schwerpunkt
der Plattform, des Gegenstands und von Ballastgewichten, soweit
benötigt,
an oder in der Nähe
des Kraftzentrums des Isolators angeordnet werden, um die vertikalen,
horizontalen und kippenden Eingangsschwingungen zu entkoppeln oder
nahezu zu entkoppeln, um eine optimale oder nahezu optimale Leistungsfähigkeit
der Isolierung zu erreichen. Wenn das Kraftzentrum des Isolators
an der Kippbiegung 41 in der Nähe der Oberseite des Isolators
liegt, ist eine kompakte gewichtsbelastete Plattform möglich, die
einen Gegenstand mit einem in vernünftiger Weise hohen Schwerpunkt
relativ zu seiner Basis aufnimmt. Eine Anordnung des Schwerpunkts
des Gegenstands, oder des Gegenstands und von Ballast, wenn erforderlich,
oberhalb oder nahezu oberhalb der Kippbiegung 41 kann dadurch
erreicht werden, daß der
Gegenstand 15 und/oder Ballastgewichte, die in der Zeichnung
nicht dargestellt sind, auf der Plattform 14 bewegt werden, um
die obere Befestigungsplatte 46 schwimmend von den Kippanschlägen 102 wegzubewegen
und das Maß an
Ausrichtung bereitzustellen, das benötigt wird. Eine Anordnung des
Schwerpunkts des gesamten aufgehängten
Gewichts in vertikaler Richtung an oder in der Nähe des Kraftzentrums des Isolators kann
auch mit Hilfe von Ballastgewichten und/oder von vertikalen Abstandselementen
für die
Nutzlast oder den Gegenstand, die bzw. der auf der Plattform getragen
ist, erreicht werden. Die Rohre 23, die den Gewichtsring 21 relativ
zu der oberen Platte 19 der Plattform positionieren, können ebenfalls
in der Länge
verändert
werden. Es ist nicht erforderlich, daß der Schwerpunkt des gesamten
aufgehängten
Gewichtsrings an dem oder sehr nahe an dem Kraftzentrum des Isolators
liegt. Ein erhebliches Maß an Kopplung
zwischen den vertikalen, horizontalen und Kippbewegungen kann toleriert
werden, und das System kann weiterhin eine effektive Isolierung
bereitstellen.
-
Die
Kippbiegung 41 kann steifer ausgeführt werden, so wie dies notwendig
ist, um in einfacher Weise zu ermöglichen, daß die obere Befestigungsplatte 46 von
den Kippanschlägen 102 schwimmend wegbewegt
wird und daß die
Befestigungsplatte ausgerichtet wird. Dadurch werden die Kipp-Eigenfrequenzen
des Systems vergrößert, aber
sehr niedrige vertikale und horizontale Eigenfrequenzen können aufrechterhalten
werden. Höhere
Kippfrequenzen können
normalerweise toleriert werden, da kippende Schwingungsanregungen
bzw. -eingänge
typischerweise sehr klein sind im Vergleich zu vertikalen und horizontalen
Schwingungsanregungen bzw. -eingängen.
Eine Kippdämpfung
kann auch dazu dienen, die resonanten Kippantworten zu begrenzen.
-
Ein
weiteres neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in
der Verwendung einer weichen Feder, um die radialen Biegungen 60 zu
belasten und um eine konstantere radiale Belastung und einen Effekt
negativer Steifigkeit für
den Vertikalbewegungsisolator bereitzustellen, zusammen mit der neuartigen
Verwendung eines Systems von Biegungen, um eine steife Zwangsbedingung
gegenüber
einer Bewegung der zentralen Nabe und der zugeordneten Masse bereitzustellen,
um hohe strukturelle Resonanzfrequenzen des Isolators aufrechtzuerhalten.
Dieses Merkmal ermöglicht
ein einfacheres Mittel zum Vorbelasten und Feineinstellen der kompressiven
Belastung auf den radialen Biegungen 60 und stellt eine
konstantere vertikale Steifigkeit während einer vertikalen Auslenkung
des Isolators bereit, aufgrund einer geringeren Reduktion in der
radialen Belastung, die mit einer Verkürzung der radialen Biegungen
zusammenhängt.
Die spezielle Konfiguration des Isolierungssystems und die Konstruktionsverfahren,
die in 1 bis 6 dargestellt sind, stellen
lediglich eine von zahlreichen Anordnungen dar, in denen die neuartigen
Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten sein können. Andere
Ausführungsformen
und Konstruktionsverfahren sind für einen Fachmann auf dem vorliegenden
Gebiet offensichtlich. Anstelle daß der Belastungsblock 52 und
dadurch die linken Enden der radialen Biegungen 60 auf
Biegungen 66 aus dünnem
Blech abgestützt
werden, könnte beispielsweise
dieser Belastungsblock 52 an einer steifen Plattenstruktur
befestigt werden, die mit der Sockelplatte 22 verbunden
ist, ähnlich
wie bei der Konstruktion in der parallelen Patentanmeldung mit der
Seriennummer 08/125 496. Die Scherungsbiegungen 72 könnten dann
entfallen, da die zentrale Nabenanordnung 20 in der radialen
Richtung durch die radiale Steifigkeit der radialen Biegungen 60 und die
steife Plattenstruktur gehalten bzw. eingeschränkt würde. Es wäre ein gewisses Maß an Kopplung
zwischen vertikalen und horizontalen Bewegungen des Isolators vorhanden,
wenn die zentrale Nabe in Richtung auf die steife Plattenstruktur
gezogen wird, aufgrund einer Verkürzung der radialen Biegungen,
ausgehend von einer vertikalen Verlagerung der zentralen Nabe, wobei
dieser Effekt allerdings sehr gering wäre.
-
Die
Elemente, die die vorliegende Struktur bilden, können aus üblichen strukturellen Materialien hergestellt
werden, wie etwa Stahl und Aluminiumlegierungen. Weitere strukturelle
Materialien, die eine geeignete Festigkeit, elastische und Masseneigenschaften
haben, können
ebenfalls verwendet werden.
-
Obwohl
eine spezielle Ausführungsform
der Erfindung erläutert
und beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß verschiedene
Modifikationen vorgenommen werden können, ohne daß der Bereich der
Erfindung verlassen wird. Demgemäß ist nicht beabsichtigt,
daß die
Erfindung eingeschränkt
wird, mit Ausnahme durch die beigefügten Ansprüche.