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Vorrichtung zur Bekämpfung der einer Drehung von Maschinenteilen überlagerten
Drehschwingungen Zur Verminderung der Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit und
.der Drehschwingungen von Maschinenwellen, die periodischen Störungen ausgesetzt
sind, werden bekanntlich seit langem schwingende feste oder flüssige Hilfsmassen
angewandt, die den durch die Drehung jener Wellen erzeugten Fliehkräften ausgesetzt
sind.
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Bei einer ersten Gruppe bekannter Vorrichtungen verwendet man schwingende
Hilfsmassen, deren relative Bewegungen absichtlich durch verschiedene Mittel gedämpft
oder gebremst werden. Die bekannten Vorrichtungen dieser Art sind aber nicht wirksam
genug und geben außerdem zu praktischen Nachteilen, wie einer Erhitzung, einem Energieverlust,
einer Abnutzung usw. Anlaß.
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Bei einer zweiten Gruppe bekannter Vorrichtungen sind die schwingenden
Massen der Wirkung elastischer Rückholkräfte ausgesetzt, die durch Federn, bildsame
Massen oder unter Druck stehende Gase oder auch durch die Wirkung der Schwerkraft
erzeugt werden. Diese Vorrichtungen sind umständlich
und °benfalls
nicht wirksam genug; außerdem können sie nur für ganz bestimmte Drehgescl1windigkeiten
der Welle wirksam -werden.
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Bei einer dritten Gruppe bekannter Vorrichtungen sind die schwingenden
Hilfsmassen lediglich der Rückholwirkung der Fliehkräfte ausgesetzt. Aber selbst
wenn man annimmt. daß man keine Bremswirkung auf die Schwingungsbewegungen der beweglichen
-lassen ausübt, erfolgen ihre Bewegungen mit einer ungenügenden Freiheit, und es
ergeben sich dabei namentlich natürliche störende Reibungen, die, -wie Erfahrung
und Theorie zeigen. die Wirksamkeit dieser Einrichtungen sehr schwer beeinträchtigen.
Außerdem geiiiigt es nicht, daß man, wie seit lavgem an sich bekannt, den Hilfsmassen
im Fliehlzraftfeld eine ganz bestimmte Eigenschwingungsperiode verleiht. die in
den meisten Fällen gleich dir Periode der Störkräfte ist. Dies Ergebnis muß genau
und einwandfrei erzielt werden, und es ist außerdem erforderlich, daß ganz bestimmte
bauliche Bedingungen erfüllt werden, die insbesondere die völlige Abwesenheit von
künstlich auf den Hilfsmassen erzeugten Reibungen sowie außerdem einen sehr kleinen
Wert der natürlichen Reibungen bei der Schwingungsbewegung der Hilfsmassen bedingen.
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Es hat sich nt:n gezeigt, daß die günstigsten Bedingungen in sehr
einfacher Weise und mit g # e rin, gern Raumbedarf einwandfrei erfüllt werd--n können.
wenn man als Hilfsmassen feste Schwingkörper verwendet, die selbst rollfähige Körper
bilden und ihre Schwingungen dadurch ausführen. daß sie völlig frei auf Bahnen abrollen,
deren Krüminungsradius kleiner als ihr Abstand von der Drehachse ist.
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Diese völlige Freiheit der umlaufenden Schwingkörper ist grundsätzlich
von der teilweisen Freiheit der bisher zu diesem Zweck benutzten 1lassen verschieden,
denn letztere konnten bei der relativen Bewegung nur mit verschiedenen Einschränkungen
geometrischer und mechanischer Natur schwingen.
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Erfindungsgemäß besagt diese völlige Freiheit der umlaufenden Schwingkörper
insbesondere, daß die einzige Bedingung der der schwingende und rollende Scli-wingkörper
ausgesetzt ist. darin besteht, daß er praktisch mir mit einem einzigen Rollkontakt
an einem Punkt oder auf einer -Mantellinie an die Rollbahn gebunden ist. Definitionsgemäß
schwingt unter diesen Bedingungen der Schwingkörper mit der größtmöglichen Freiheit
lediglich unter der Rückliolwirl,:ung der Fliehkräfte und unter dem Ein tluß der
Störungskräfte, während die Wirkung der Schwerkraft prakfisch vernachlässigbar ist.
Infolge der vor- . stehend gekennzeichneten völligen Freiheit 1 des Schwingkörpers
auf seiner Rollbahn ist das System frei von jeglicher Anlenkung oder anderen mechanischen
odergeometrischen Verbindung sowie von jeder Feder, jeder Bremsmig, jeder absichtlichen
Reibung, -während die natürlichen Reibungen, namentlich auf den seitlichen Wandungen
der Schwingkörper, auf einen sehr kleinen Wert beschränkt sind.
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Erfindungsgemäß wird die Wirksamkeit des oder der Schwingkörper am
größten, f -wenn man konstruktionsgemäß eine sich auf eine bestimmte zu bekämpfende
Schwingung b; ziehende Abstimmungsbedingung schafft, die, -wie sich rechnerisch
ergibt, für alle Dreh-; zahlen der Welle Gültigkeit behält. Diese Abstimmungsbedingung
kann sich auf eine Resonanzbedingung beschränken, die die übereinstimmung der Eigenschwingungsfrequenz
des Rollkörpers im Fliehkraftfeld und der I# reduenz der zu bekämpfenden erfordert.
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G Gemäß besonderen Ausführungsformen der I Erfindung sind die schwingenden,
rollenden Schwingkörper feste Uindreliungskörper bzw. Körper mit kreisförmigem Grundschnitt,
-wie j Kugeln, Walzen, Ringe usw.
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U in das Herabfallen der Rollkörper bei niederen Geschwindigkeiten
zu vermeiden, ist es erfindungsgemäß häufig vorteilhaft, Hilfsführungsbahnen vorzusehen,
die parallel zu den Rollbahnen der Rollkörper verlaufen und wie diese. in Form geschlossener
Kurven ausgebildet sind. Bei Wahl dieser Lösung -wird die Verwendung von Anschlägen
überflüssig.
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Erfindungsgemäß können gleichzeitig zwei oder mehrere verschiedene
Störungsmomente dadurch bekämpft -werden, daß man zwei oder mehrere Gruppen von
umlaufenden Schwingkörpern verwendet, -wobei jede Gruppe dieser Körper derart ausgebildet
ist, daß sie eines dieser Störungsmomente bekämpft.
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Ein solches Svstem -wird durch Kombination rollender Schwingkörper
finit anderen Rollkörpern gebildet, -welche innerhalb der ersten Rollkörper -wiederum
rollen können.
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Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, daß -wenigstens eine Eigenfrequenz
des auf diese Weise gebildeten Pendelsystems auf eine der Frequenzen der Störkräfte
abgestimmt -wird, -wobei diese Abstimmung einer Resonanzbedingung entsprechen kann.
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Die Rollkörper der ersten Gruppe können erfindungsgemäß als zylindrische
Walzen ausgebildet sein. die in zylindrischen Zellen rollen, -welche fest mit der
umlaufenden Welle verbunden sind.
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In den Zeichnungen sind in schematischer und bruchstückweiser Darstellung
verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung beispielshalber veranschaulicht.
Abb.
i ist ein Teilschnitt senkrecht zur betrachteten umlaufenden Welle einer Scheibe
oder eines Schwungrades mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verminderung
der Geschwindigkeitsschwankungen und der Drehschwingungen; Abb.2 zeigt in analogem
Schnitt eine Scheibe oder ein Schwungrad mit drei Gruppen besonderer Einrichtungen,
die zur Verminderung von Schwingungen mit drei verschiedenen Frequenzen dienen;
Abb. 3 zeigt in einem Teilschnitt eine der Abb. 2 entsprechende Vorrichtung; Abb.
4. zeigt analog der Abb. i eine zur Verminderung von Schwingungen dienende Vorrichtung
mit zwei aufeinander wirkenden Gruppen von Rollkörpern.
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Gemäß Abb. i ist ein Maschinenteil, dessen Hauptebene sich senkrecht
zur Achse o der umlaufenden Welle i erstreckt, und der beispielsweise von einem
mit einer Randumbördelung 3 versehenen Schwungrad z gebildet wird, mit Hilfe eines
Keils ja auf die Welle i aufgekeilt, deren Drehschwingungen vermindert werden sollen,
oder deren Umlaufgeschwindigkeit gleichförmiger gemacht werden soll. Dieses Schwungrad
oder diese Scheibe 2 enthält eine in ihrer Ebene liegende gekrümmte Rollbahn 4,
deren konkave Seite der Achse o zugekehrt ist. Diese Rollbahn kann eine beliebige
Gestalt aufweisen und beispielsweise kreisbogenförmig oder annähernd in Form einer
Epizykloide ausgebildet sein, wobei aber der Krümmungsmittelpunkt für die mittlere
Stelle i der Rollbahn 4 näher als die Achse oi liegt. Auf die Rollbahn 4. ist eine
Kugel m gesetzt, die beim Umlauf der Welle oder Scheibe 2 durch den Einfluß der
Fliehkraft ständig in Berührung mit der Rollbahn gehalten wird. Wenn die Maschine
sich in Ruhe befindet, so wird ein Herabfallen der Kugel m durch eine Verlängerung
7 der Rollbahn 4 verhindert, die mit letzterer eine zusammenhängende Führungsbahn
in Form einer geschlossenen Kurve bildet.
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Vorzugsweise wird noch innerhalb dieser Kurve ein Kern 6 mit in gleichem
Abstand zu den Führungsbahnen 4 und 7 verlaufenden Rändern angeordnet, um Stöße
der Kugel gegen die Rollbahn beim Ingangsetzen und Anhalten der Maschine zu verhindern.
Normalerweise steht der rollende Körper m mit diesem Kern 6 nicht in Berührung,
sondern ist von ihm durch ein sehr kleines Spiel getrennt.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise:
Wenn die Welle i mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit umläuft, so wird die Kugel
m in Berührung mit der Rollbahn 4 am Punkt i gehalten. Sobald aber eine positive
bzw. negative: Beschleunigung auftritt, rollt die Kugel m auf der Bahn 4 unter dem
Einfluß ihrer Trägheit, um eine einer Verzögerung bzw. einer Voreilung entsprechende
Stellung einzunehmen. Wenn diese Beschleunigung oder Verzögerung aufgehoben wird,
so kehrt die Kugel m in ihre normale Gleichgewichtsstellung bei i zurück und führt
dabei zu, beiden Seiten des Punktes i eine Schwingungsbewegung mit einer Frequenz
aus, die im wesentlichen von ihren geometrischen Abmessungen und dem Krümmungsradius
der Rollbahn 4 in der Nähe des Punktes i abhängt. Diese Frequenz ist die Eigenschwingungsfrequenz
des Rollkörpers m.
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Bei der Darstellung der Abb. i 'ist die Kugel m nur als einfaches
Beispiel eines Rollkörpers gewählt worden, und es ist klar, daß man hierfür auch
irgendeinen anderen rollfähigen Körper verwenden könnte, wie beispielsweise eine
Rolle oder Walze (vgl. Abb. z und 3). Außer der Form des Rollkörpers m kann auch
die Zahl- der vorgesehenen Vorrichtungen zur Verminderung der Schwingungen beliebig
sein.
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Bei der Ausführungsform gemäß Abb. z und 3 ist der besonders einfache
Fall dargestellt, in welchem die Roll- und Führungsbahn 4, 7 von einem Zylinder
A1 bzw. A'2 bzw. A3 gebildet wird. Wie man aus Abb. 3 sieht, kann ein zylindrischer
Körper m, der als hohl angenommen ist, auf dem Zylinder Al abrollen. Dieser zylindrische
Hohlkörper m wird durch Deckel D, welche den Zylinder Al schließen, daran gehindert,
seitlich herauszutreten. Der Kern wird in diesem Fall von einem koaxial zu dem Zylinder
Al angeordneten Zylinder B1 gebildet.
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Aus den vorstehenden Ausführungen geht deutlich hervor, daß jeder
Schwingkörper bzw. jeder Rollkörper m vollkommen frei ist, d. h. daß er keinerlei
Verbindung mit der Welle i, dem Schwungrad oder der Scheibe 2 und der Rollbahn 4
oder Al aufweist, mit Ausnahme einer einzigen punktförmigen oder linearen Berührung
mit der Rollbahn, wobei diese Berührung nur unter dem Einfluß der Fliehkraft hervorgerufen
wird. Außerdem erfolgt die Bewegung jedes Schwingkörpers m auf den Bahnen 4 oder
Al lediglich durch Rollen, so daß jegliche gleitende Reibung vermieden wird. Außerdem
wird auch die Reibung an den seitlichen Wandungen der Rollkörper durch bekannte
Maßnahmen, beispielsweise durch glatte Oberflächen, auf sehr kleine Werte herabgesetzt.
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Abb. 4 zeigt eine Ausführung, die gestattet, gleichzeitig zwei Störschwingungen
von verschiedener Frequenz zu bekämpfen. Der Maschinenteil 2 (Schwungrad, Scheibe
od. dgl.)
enthält, wie in Abb.2, eine kreisförmige Roll- und Führungsbahn
24 sowie einen koaxialen Kern 25. In dem zwischen der Führungsbahn 24 und dem Kern
25 gebildeten Ringraum kann ein Rollkörper ztt" durch Rollen auf der Bahn 24 schwingen,
und ein zweiter Rollkörper in , kann dadurch schwingen, daß er in derselben
Weise auf einer gekrümmten Rollbahn rollt, die innerhalb des Körpers vt, liegt,
der wiederum mit einem Kern 26 versehen ist, um Stöße zwischen den Körpern ;st,
und m6 zu verhüten.
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Das auf diese Weise gebildete Pendelsystem kann gleichzeitig in dem
Fliehkraftfeld mit zwei verschiedenen Eigenfrequenzen schwingen, von denen wenigstens
die eine gleich oder annähernd gleich der einen der beiden zu bekämpfenden Frequenzen
gewählt -,werden kann.
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Erfindungsgemäß lassen sich in analoger Weise auch Systeme mit drei,
vier und mehr aufeinanderfolgenden Gruppen oder Stufen von schwingenden Körpern
herstellen. Diese komple%en Systeme können dabei die verschiedensten Formen annehmen,
vorausgesetzt, daß immer an jeder Berührungsstelle zweier zusammengesetzter Körper
die relativen Bewegungen unter unmittelbarer Abwälzung einer 2-lasse auf der anderen
stattfinden. Alle geometrischen Abmessungen des Systems werden vorteilhaft in der
Weise gewählt, daß mindestens eine Eigenfrequenz des durch die Schwingkörper gebildeten
komplexen Systems mindestens einer der Frequenzen der schädlichen Störungen gleich
oder annähernd gleich ist.