EP1269042A1 - Schwingungstilgeranordnung für einen kolbenverdichter - Google Patents

Schwingungstilgeranordnung für einen kolbenverdichter

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EP1269042A1
EP1269042A1 EP01927661A EP01927661A EP1269042A1 EP 1269042 A1 EP1269042 A1 EP 1269042A1 EP 01927661 A EP01927661 A EP 01927661A EP 01927661 A EP01927661 A EP 01927661A EP 1269042 A1 EP1269042 A1 EP 1269042A1
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vibration damper
vibration
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piston compressor
compressor
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EP01927661A
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Frank Meyer
Michael Hartl
Franz Fischer
Stefan Schneider
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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    • F16F15/22—Compensation of inertia forces

Definitions

  • the load torque of a piston compressor described above in interaction with the motor, generates an excitation torque around the longitudinal axis of the compressor.
  • the moment of inertia of a conventional piston compressor unit is around the compress Longitudinal axis much lower than around other axes Since the transmission mode of an elastic bearing around the longitudinal axis of the compressor is usually closer to the rotational frequency than, for example, the vertical mode, which plays a greater role for the transmission of mass forces, this torsional vibration is usually not isolated as well like other excitation components
  • the damper arrangement can also be used for the eradication of moments resulting from the oscillating masses.
  • two or more absorbers are arranged at a distance x from the axis of rotation
  • the eradicating effect is given in almost every arrangement of the vibration dampers on the housing one compressor end, another at the other end
  • the vibration dampers can horizontal, vertical or angled to the horizontal or vertical or angled to all 3 axes
  • the vibration damper can be, for example, a bolt that is preloaded between two springs and is guided in the longitudinal direction with sliding bands.
  • Any known spring design is conceivable as springs, for example a tension spring, compression spring, leaf spring, gas spring, or other spring plates
  • the vibration damper has a certain damping.
  • This damping can be generated by the sliding friction of the oscillating pin or by nozzles or by narrow channels through which a medium is printed from one side of the oscillating mass to the other side
  • FIG. 1 shows the excitation torque of a conventional two-stage piston compressor in a boxer arrangement, as is known, for example, from Knorr-
  • the first order of the load torque corresponds to the rotational frequency of the piston compressor, which is often
  • FIG. 3 An example of a two-stage 4-cylinder piston compressor with such a vibration damper arrangement is shown in FIG. 3.
  • the piston 5 and the piston 7 rotate on a crankshaft 9 Different positions of the crankshaft are shown in broken lines with 9 1 and 9 2
  • Each vibration damper 30 1, 30 2 comprises two springs 34 1 1, 34 1 2, 34 2 1, 34 2 2, which are supported at one end on the walls 36 of the vibration damper housing

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schwingungstilgeranordnung für einen Kolbenverdichter (21) mit mindestens zwei am Kolbenverdichter (21) angeordneten Schwingungstilgern (30.1, 30.2), die oszillierende Massen (38.1, 38.2) umfassen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Schwingungstilger (30.1, 30.2) derart angeordnet sind, dass die oszillierenden Massen (38.1, 38.2) senkrecht zur Kolbenverdichterdrehachse oder unter einem Winkel von maximal 45 zur Kolbenverdichterdrehachse mit einer Frequenz, die nahe der Drehfrequenz des Kolbenverdichters (21) liegt, um die Achse eines freien Momentes schwingen.

Description

SCHWTNGUNGSTILGERANORDNUNG FÜR EINEN KOLBENVERDICHTER
Die Erfindung betrifft eine Schwingungstilgeranordnung für einen Kolbenverdichter mit mindestens zwei am Gehäuse des Kolbenverdichters befestigten Schwingungstilgern, die oszillierende Massen umfassen, sowie einen Kolbenverdichter mit einer derartigen Schwingungstilgeranordnung.
Im Schienenfahrzeugbau kommt in zunehmenden Maße Leichtbau zur Anwendung. Moderne Leichtbau-Wagenkastenstrukturen beispielsweise aus Aluminium-Strangpreß- profilen oder Trägerstrukturen aus dünnem Blech besitzen häufig Eigenfrequenzen nahe der Drehzahl des Kompressors der Luftbeschaffungsanlage. Der Einsatz von Kolbenverdichtern ist bei derartigen Konstruktionen oftmals nicht möglich, da häufig der zulässige Körperschallpegel überschritten wird.
Dies ist darauf zurückzuführen, daß Koibenmaschinen bauartbedingt Massenkräfte und Momente hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb erzeugen. Insbesondere bei den im Schienenfahrzeugbereich häufig eingesetzten zweistufigen Kolbenverdichtern tritt ein sehr ungleichförmiges Drehmoment auf. Während die bauartbedingt Massenkräfte, die durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb hervorge- rufen werden, sich bei entsprechend gewählter Bauform zumindest in der 1. Ordnung gut ausgleichen lassen, bereitet der Ausgleich von Momenten resultierend aus den oszillierenden Massen sowie Momentenanregungen resultierend aus dem Verdichtungs- prozess größere Schwierigkeiten, insbesondere bei zweistufigen Kolbenvedichtungen mit Hoch- und Niederdruckstufe erzeugt die Zweistufigkeit der Verdichtung ein in be- sonderem Maße ungleichförmiges Drehmoment Wie die Analyse eines typischen
Lastmomentes eines solchen Verdichters zeigt, entspricht der überwiegende Anteil des Lastmomentes der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig im Bereich von 20 bis 30 Hz liegt. Diese Frequenzen wiederum sind für den im Fahrgastraum befindlichen Menschen sehr gut spürbar. Die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien liegt bei ca. 20 Hz.
Das oben beschriebene Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in dem Zusammenspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressorlangsachse. Das Trägheitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates ist um die Kompres- sorlangsachse wesentlich geringer als um andere Achsen Da der Ubertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlangsachse in der Regel naher an der Drehfrequenz als beispielsweise der Vertikalmode, ist der für die Übertragung von Massenkraften eine größere Rolle spielt, wird diese Drehschwingung in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenverdichtermaschine anzugeben, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet und insbesondere die Drehschwingungen der Maschine drastisch reduziert
Erfindungsgemaß wird das Problem dadurch gelost, daß zwei oder mehrere Schwin- gungstilger am Kolbenverdichter derart angeordnet werden, daß die oszillierenden Massen tangential um die Achse eines freien Momentes des Kolbenverdichters und senkrecht zur Drehachse des Kolbenverdichters oder unter einem Winkel von maximal 45 zur Kolbenverdichterdrehachse mit einer Frequenz, die nahe der Drehfrequenz des
Kolbenverdichters hegt, schwingen Vorteilhafterweise sind die oszillierenden Massen in Bezug auf Gewicht und die zulassigen Federwege so ausgelegt, daß sie ein dem Erregermoment 1 Ordnung des Kolbenverdichters um die Kolbenverdichterlangsache äquivalentes Gegenmoment aufnehmen können Die Eigenfrequenz des Schwin- gungstilgers liegt vorteilhafterweise so weit von der Drehfrequenz entfernt, daß auch unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen die Eigenfrequenz der Schwin- gungstilger so weit neben der Drehfrequenz liegt, daß die Amplituden im Schwin- gungstilger die zulassigen Federwege nicht überschreiten
Alternativ kann die Tilgeranordnung auch zur Tilgung von Momenten resultierend aus den oszillierenden Massen verwendet werden Auch in diesem Fall sind zwei oder mehrere Tilger mit einem Abstand x zur Drehachse angeordnet
Die tilgende Wirkung ist in fast jeder Anordnung der Schwingungstiiger am Gehäuse gegeben So können die Schwingungsdampfer beispielsweise außerhalb des Schwerpunktes in Bezug zur Kompressordrehachse egen ohne daß zusatzliche Momente aus den oszillierenden Massen des Schwingungsdampfers resultieren Sie können auch in versetzten Ebenen hegen, zum Beispiel ein Schwingungsdampfer an einem Kompressorende, ein weiterer am anderen Ende Die Schwingungsdampfer können horizontal, vertikal oder winkelig zur Horizontalen oder Vertikalen oder winkelig zu allen 3 Achsen angeordnet sein
Bei sämtlichen zuvor genannten Anordnungen liegen die Schwingungsdampfer so gut wie konstruktiv möglich gegenüber, wobei unterschiedliche Abstände zur Achse eines freien Momentes zu unterschiedlichen Amplituden im Schwingungstilger fuhren
Der Schwingungstilger kann beispielsweise ein Bolzen der zwischen zwei Federn vorgespannt gelagert ist, und mit Gleitbandern in Längsrichtung gefuhrt wird, sein Als Fe- der ist jede bekannte Federbauart denkbar, beispielsweise eine Zugfeder, Druckfeder, Blattfeder, Gasfeder, oder andere Federbleche
Die Fuhrung des Schwingungstilgers kann über Rollen Kugeln oder Nadeln ausgebildet sein Alternativ hierzu kann der Schwingungstilger auch ohne Gleitfuhrung ausge- fuhrt sein, wobei die Fuhrung von den Federn übernommen wird zwischen denen die oszillierenden Massen gelagert sind, welche die Kräfte quer zur Arbeitsrichtung des Schwingungstilgers aufnehmen
Der Schwingungstilger kann sowohl zwischen zwei Druckfedern als auch zwischen zwei Zugfedern als auch an einer Feder befestigt sein
In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform kann der Schwingungstilger über kugel-, nadel-, walzen- oder gleitgelagerte Pendelstutzen gefuhrt sein
Um den Betrieb des Schwingungstilgers in der Schwmgungsuberhohung seines
Schwingungssystemes zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der Schwingungstilgers eine gewisse Dampfung aufweist Diese Dampfung kann erzeugt werden durch die Gleitreibung des oszillierenden Bolzens oder durch Düsen oder durch enge Kanäle, durch die ein Medium von einer Seite der oszillierenden Masse zur anderen Seite gedruckt wird
Neben der Schwingungsdampferanordnung stellt die Erfindung auch einen Kolbenverdichter, insbesondere für Schienenfahrzeuge, umfassend eine derartige Schwingungsdampferanordnung, zur Verfugung Die oszillierende Masse kann auch als Scheibe, Platte oder Würfel oder in beliebiger Form ausgeführt sein
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden
Es zeigen
Figur 1 das Erregermoment eines herkömmlichen zweistufigen Kolbenverdichters in Boxer-Anordnung, wie er beispielsweise aus Knorr-
Geratebeschreibung B-LA 80 23 bekannt ist
Figur 1a Verlauf des freien Momentes resultierend aus den ozil erenden Massen
Figur 2 Founeranalyse des Erregermomentes gemäß Figur 1
Figur 3 ein Kolbenverdichter mit erfindungsgemaßer Schwingungsdampferanord- nung
Figur 4-15 Beispiele für unterschiedliche Tilgeranordnungen am Kolbenverdichter bzw Kompressoraggregat
In Figur 1 ist das Erregermoment eines aus dem Stand der Technik bekannten zweistufigen Kolbenverdichters um die Kolbenverdichter- beziehungsweise Kompressordrehachse dargestellt Die X-Achse des Diagrammes bezeichnet hierbei den Drehwinkel in Grad, die Y-Achse des Diagrammes das anliegende Erregermoment Mχ um die
Kolbenverdichterdrehachse
Figur 1 a zeigt ein freies Moment resultierend aus den oszillierenden Massen das je nach Bauart vertikal oder horizontal wirken kann In Figur 2 ist die Founeranalyse des in Figur 1 dargestellten Momentenverlaufes gezeigt
Wie aus der Founeranalyse von Mx gemäß Figur 2 hervorgeht entspricht die 1 Ordnung des Lastmomentes der Drehfrequenz des Kolbenverdichters, die häufig im
Bereich zwischen 10 und 30 Hz egt Derartige Frequenzen sind für den Menschen im Fahrgastraum eines Schienenfahrzeuges gut zu spuren da beispielsweise die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien bei circa 20 Hertz liegen kann
Die höheren Ordnungen, beispielsweise die 2 und 3 Ordnung sind in der Regel weniger stark spurbar
Um die unerwünschten Schwingungen zu vermeiden ist es somit erforderlich, die Drehschwingung in der 1 Ordnung so gut wie möglich auszugleichen oder ganz zu ehminie- ren
Erfindungsgemaß wird dies dadurch erreicht, daß am Kolbenverdichter beziehungweise Kompressor oder Kompressormotor als Schwingungstilger beziehungsweise Schwingungsdampfer ausgeführte oszillierende Massen gegenüberliegend angeordnet wer- den, die tangential der Drehschwingung des Kolbenverdichters entgegenschwingen
Ein Beispiel eines zweistufigen 4-Zylιnder Kolbenverdichters mit einer derartigen Schwingungsdampferanordnung ist in Figur 3 gezeigt Deutlich zu erkennen der Zylinder 1 und der Zylinder 3 die einander in der sogenannten Boxeranordnung gegenuber- hegen Der Kolben 5 sowie der Kolben 7 laufen auf einer Kurbelwelle 9 um Die verschiedenen Stellungen der Kurbelwelle sind strichpunktiert mit 9 1 beziehungsweise 9 2 dargestellt
Die Kolben 5, 7 sind gegenüber den Zylindern 1 3 mittels Dichtungen 1 1 abgedichtet
In der dargestellten Ausfuhrungsform sind am Gehäuse 20 des Kolbenverdichters 21 auf gegenüberliegenden Seiten 20 1 , 20 2 Schwingungstilger 30 1 30 2 angeordnet Erfindungsgemaß sind die Schwingungstilger 30 1 30 2 derart angeordnet, daß die Massen 38 1 , 38 2 tangential um die Achse eines freien Momentes schwingen Sollen die Momente resultierend aus dem Verdichtungsprozess getilgt werden, so ist die Achse des freien zu tilgenden Momentes in der Regel die Kompressordrehachse
Jeder Schwingungsdampfer 30 1 , 30 2 umfaßt zwei Federn 34 1 1 , 34 1 2, 34 2 1 , 34 2 2 , die sich an ihrem einen Ende an den Wandungen 36 des Schwmgungstilger- gehauses abstutzen
Die schwingende Masse ist in vorliegendem Ausfuhrungsbeispiel als Bolzen 38 1 , 38 2 ausgeführt Die Bolzen werden über eine Gleitfuhrung 40 1 40 2 zwischen den beiden Federn gefuhrt Die Massen 38 1 , 38 2 des Schwingungstilgers sowie die Federn 34 1 t 34 1 2, 34 2 1 34 2 2 sind derart aufeinander abgestimmt daß die oszillierenden Massen 38 1 , 38 2 mit einer Frequenz nahe der Drehfrequenz des Kolbenverdich- ters 21 schwingen Auf diese Art und Weise wird die in Figur 2 dargestellte 1 Ordnung des Erregermomentes gemäß Figur 1 gedampft Das Erregermoment des Kolbenverdichters 21 ist dann im Fahrgastraum nicht mehr störend wahrnehmbar
Wie aus Figur 3 deutlich zu erkennen, sind die Massen 38 1 38 2 im Schwingungs- dampfer um circa 180 Grad am Umfang des Kolbenverdichters 21 angeordnet
Neben der in Figur 3 dargestellten egenden Ausfuhrung mit vier Zylindern, einem Hoch- und drei Niederdruckzylindern für den Kolbenverdichter 21 sind auch alternative Anordnungen denkbar, beispielsweise ein Zweistufiger-Drei-Zyhnder Kolbenverdichter mit einer erfindungsgemaßen Schwingungsdampferanordnung ohne daß von der Erfindung abgewichen wird
Die Figuren 4-15 zeigen alternative Anordnungen der Schwingungstilger 30 1 , 30 2 am Kolbenverdichter 21 Bei dem Kolbenverdichter 21 gemäß den Figuren 4 bis 15 handelt es sich wiederum um ein 4-Zyhnder Kolbenverdichter 21 mit einem Hochdruck- und drei Niederdruckzylindern Der Kolbenverdichter 21 umfasst einen Kompressor 40 sowie einen Kompressormotor 42 Die Schwingungstilger sind mit den Bezugsziffern 30 1 sowie 30 2 analog wie in Figur 3 bezeichnet Deutlich zu erkennen sind die unterschiedlichen Anordnungen der Tilger 30 1 , 30 2 am Kolbenverdichter 21 Mit der Erfindung wird erstmals eine Anordnung angegeben, bei dem die unerwünschten niederfrequenten Schwingungen eines zweistufigen Kolbenverdichters derart vermindert werden können, daß sie in dem Fahrgastraum, beispielsweise eines Schie- nenfahrzeuges, nicht mehr störend wahrnehmbar sind
Bezugszeichen ste
1 Hochdruckzylinder 3 Niederdruckzylinder
5 Hochdruckkolben
7 Niederdruckkolben
9 Kurbelwelle
9 1 , 9 2 Stellungen der Kurbelwelle 1 1 Dichtungen
20 Gehäuse des Kolbenverdichters
20 1 , 20 2 Seiten des Kolbenverdichtergehauses
21 Kolbenverdichter
30 1 , 30 2 Schwingungsdampfer 34 1 1 Feder
34 1 2 Feder
34 2 1 Feder
34 2 2 Feder
36 Wandung der Schwingungsdampfers 38 1 , 38 2 oszillierende Masse
40 Kompressor
42 Kompressormotor

Claims

Patentansprüche
1. Schwingungstilgeranordnung für einen Kolbenverdichter (21 ) umfassend mindestens einen Kompressor(40) und einen Kompressormotor (42) mit 1.1 mindestens zwei am Kolbenverdichter (21) befestigten Schwingungstiigern
(30.1 , 30.2), die oszillierende Massen (38.1 , 38.2) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß 1.2 die mindestens zwei Schwingungstilger (30.1 , 30.2) am Kolbenverdichter (21 ) derart angeordnet sind, daß die oszillierenden Massen (38.1 , 38.2) der Tilger entweder senkrecht oder in einem Winkel von bis zu 45° zur Achse des freien
Erregermomentes schwingen, welches aus dem Verdichtungsvorgang oder den bewegten Massen resultiert.
2. Schwingungstilgeranordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungstilger (30.1) kompressorseitig, der andere (30.2) motorseitig angebracht ist, wobei beide auf derselben Seite des Kompressors (40) in Bezug auf die Drehachse liegen und die Anordnung am Umfang des Kolbenverdichters (21) beliebig sein kann.
3. Schwingungstilgeranordnung gemäß Anspruch 1 , dadaurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungstilger (30.1 ) kompressorseitig, der andere (30.2) motoseitigund um 180° versetzt zur Drehachse angebracht ist.
4. Schwingungstilgeranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38.1 , 38.2) der Schwingungstilger (30.1 , 30.2) zwischen je zwei Druckfedern (34.1.1 , 34.1.2, 34.2.1 , 34.2.2) zum Gehäuse des Kolbenverdichters hin abgestützt sind, wobei die Massen (38.1 , 38.2) um circa
180 am Umfang des Kolbenverdichtergehauses (20) versetzt angeordnet sind.
Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38 1 , 38 2) in Schwingungstiigern (30 1 , 30 2) mittels eines Gleitmateπals in tangentialer Richtung gefuhrt werden
Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38 1 , 38 2) in dem Schwingungstilger (30 1 , 30 2) ohne Gleitfuhrung zwischen den Federn (34 1 1 , 34 1 2, 34 2 1 , 34 2 2) und/oder durch die Federn (34 1 1 , 34 1 2, 34 2 1 , 34 2 2) des Schwingungstilgers (30 1 ,
30 2) gefuhrt werden
Schwingungstilgeranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Schwingungstilger (30 1 , 30 2) dererat ausgestaltet sind, daß eine Dampfung der oszillierenden Massen (38 1 , 38 2) dadurch erzeugt wird, daß ein Medium bei jeder Schwingung der oszillierenden Massen (38 1 , 38 2) von einer Seite der oszillierenden Massen (38 1 , 38 2) zur anderen Seite bewegt wird
Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungstilger (30 1 , 30 2) Kugel-, Nadel- oder Walzlager zur Fuhrung der oszillierenden Massen (38 1 , 38 2) in tangentialer Richtung umfaßt
Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38 1 , 38 2) des Schwingungstilgers (30 1 , 30 2) ol- geschmiert gleiten
Schwingungstilgeranordnung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungstilger (30 1 , 30 2) eine Olvorratseinrichtung für die Schmierung des Schwingungstilgers (30 1 30 2) umfassen
1 1. Schwingungstilgeranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenverdichter (21 ) eine Olvorratseinrichtung umfaßt, die zur Schmierung des Schwingungstilgers (30.1 , 30.2) mit diesem verbunden ist.
12. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungstilger (30.1 , 30.2) am Verdichtergehause (20) horizontal liegend angeordnet sind.
13. Schwingungstigeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungstilger (30.1 , 30.2) am Verdichtergehause (20) vertikal stehend angeordnet sind.
14. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungstilger (30.1 , 30.2) über eine oder mehrere Pendelstützen gelagert sind.
15. Kolbenverdichter für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenverdichter (21) eine Schwingungstilgeranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 -14 umfasst.
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