NO321556B1 - Dempeanordning for demping av vibrasjoner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en dempingsanordning som spesielt men ikke utelukkende er beregnet for borstrenger og lignende verktøyholdestenger som brukes i verktøymaskiner. Typiske eksempler er borstrenger som benyttes ved sponfraskillende maskinering (dreiing, fresing, etc), på svake konstruksjoner, som aksler og lignende. Anordningen kan også benyttes på "oppspenninger" og andre deler av maskinen, samt arbeidsstykker. De selvgenererte svingningene oppstår typisk som følge av at konstruksjonens dynamiske stivhet er for liten.

Lignende typer dempeanordninger er kjent fra før, og en beslektet anordning er vist i NO-patent nr. 128.725. Dette patentet gjelder et dempelegeme som nødvendigvis må plasseres i en utboring i borstangen, fordi selve utboringen ut-gjør en vesentlig del av dempeanordningen, dvs. dempeeffekten er et resultat av vekselvirkning mellom dempelegemet og selve utboringen, via fjærende elementer som er anbrakt mellom disse.

Fra NO 0 120 609 fremgår det en anordning for demping av svingninger. Anordningen omfatter et demperlegeme plassert i en utboring. Fjærskiver er plassert på hver skive av dempelegemet. Koniske klemskiver er innrettet for å regulere fjærskivenes fjærkonstant. Fjærskivene komprimeres under demping med anordningen.

Utviklingen går mot stadig større lengde/diameter forhold (overheng) på verktøyholdere. Verktøyholderes dynamiske stivhet vil da avta, og dette stiller igjen krav til dempeanordningen som må tilpasses dette. Problemet med hittil kjent teknikk er at for å kunne tilpasse dempeanordningen til disse nye forholdene, må dempelegemets frekvens senkes. Dette krever enten fjærelementer med lavere fjærkonstant, eller større masse i dempelegemet.

Tettheten på dempelegemer brukt i dag er allerede blant de høyeste som er kommersielt tilgjengelig. For å øke massen må man derfor øke dempelegemets volum. Dette vil medføre plassproblemer knyttet til størrelsen, og ytterligere svekking av konstruksjonen der dempeanordningen skal plasseres.

For å kunne senke fjærkonstanten med dagens teknikk, som for eksempel angitt i norsk patent 172.677 må man altså enten endre materialet i fjærelementet til et mykere material med lavere fjærkonstant, eller redusere fjærens styrke ved å redusere fjærens størrelse. Samtidig må også fjærelementene motstå varmen som utvikles under skjærprosessen og som følge av energiabsorpsjon i materialet, samt være dimensjonert for å tåle de krefter de utsettes for. Dette viser seg å være motstridende egenskaper.

Konklusjonen på dette er at kjent teknikk derfor ikke er godt egnet i forhold til utviklingen mot større lengde/diameter forhold og lavere egenfrekvens for systemet som skal dempes på grunn av blant annet begrensninger i material-egenskaper.

Høye rotasjonshastigheter benyttes ofte, og det er derfor også viktig at et dempesystem tåler å rotere hurtig. Dette viser seg også problematisk med an-ordninger i henhold til kjent teknikk

Foreliggende oppfinnelse løser de ovennevnte problemene ved tilveie-bringelse av en ny dempeanordning. Dempeanordningen ifølge oppfinnelsen er egnet for å dempe selvgenererte vibrasjoner i borstenger, verktøyholdestenger og lignende, fortrinnsvis roterende maskinelementer, særlig slike med innvendig fluidumkjøling, og dempeanordningen omfatter et hovedsakelig sylindrisk utformet dempelegeme.

Løsningen baserer seg på en teknikk der kreftene overføres fra stangen til dempelegemet via fjærelementer der fjærelementene hovedsakelig utsettes for skjærkrefter, i motsetning til kjent teknikk der tilsvarende fjærelementer hovedsakelig utsettes for trykkrefter. Fordelen med å overføre krefter via skjær isteden for trykk, er at fjærkonstanten kan senkes og at materialets dempende egenskaper øker ved kraftoverføring i skjær i forhold til kraftoverføring i trykk.

Dette løses med en dempeanordning for demping av vibrasjoner i verktøy-holdere, maskinelementer og arbeidsstykker i verktøymaskiner og andre gjenstander som utsettes for uønskede vibrasjoner, tilpasset for anbringelse i eller på gjenstanden. Dempeanordningen omfatter et hovedsakelig sylindrisk utformet dempelegeme med en gjennomgående boring, et gjennom boringen forløpende langstrakt sentrallegeme , to fjærelementer utformet med to hovedsakelig motstående endeflater og en åpning der det langstrakte sentrallegemet passerer. Fjærelementene er anbrakt på hver side av dempelegemet og en skive er anbrakt på det langstrakte sentrallegemet på hver side av dempelegemet og fjærelementene slik at fjærelementene er plassert mellom de to skivene og dempelegemet. S entrallegemet er tilpasset for fast forbindelse med gjenstanden som skal dempes, og dempelegemet er forbundet med det langstrakte sentrallegemet via de to fjærelementene. Dempelegemets gjennomgående boring innehar en klaring til det langstrakte sentrallegeme for å tillate innbyrdes bevegelse mellom dette og dempelegemet. Skiven på hver side av dempelegemet og fjærelementene er fast forbundet med det langstrakte sentrallegemet. Den ene av endeflatene på hvert fjærelement er fast forbundet med hver av de to skivene og den andre av endeflatene på hvert fjærelement er fast forbundet med dempelegemet.

G-modulen, som uttrykker stivheten til elastomerer utsatt for skjærkrefter, er betraktelig lavere enn Ec, som uttrykker stivheten til elastomerer utsatt for trykk, og ca 1/3 av Es som uttrykker stivheten til elastomerer utsatt for strekk. I en dempeanordning hvor fjærelementene (elastomerene) hovedsakelig arbeider i skjærkrefter vil dermed fjærkonstanten til systemet kunne reduseres, og egenfrekvensen til dempeanordningen vil kunne senkes betraktelig uten å endre fjærelementets materialsammensetning, og uten å redusere fjærelementets størrelse eller styrke. Massen på dempelegemet trenger heller ikke å økes.

En annen fordel er økt båndbredde for dempefunksjonen som følge av at størrelsen på fjærelementet, som eksempelvis er av gummi, kan økes og dermed tilføre økt demping, uten at egenfrekvensen økes i forhold til eksisterende løsninger av samme størrelse. Dermed kan dempeanordningen tillate større variasjon i forholdet mellom lengde og diameter. En fordel av dette igjen er muligheten for å eliminere dempevæsken som dempende medium fordi økt mengde gummi eller andre elastiske materialer gjør at dette kan brukes som eneste energiabsorbent i systemet

En fordel med å kunne senke frekvensen er at massen på dempelegemet kan reduseres mens det likevel oppnås samme egenfrekvens som eksisterende systemer. Dette gjør oppfinnelsen mer anvendelig i applikasjoner der dempesystemet skal rotere med stor hastighet, med dertil store sentrifugalkrefter, slik som i høyhastighets-freseapplikasjoner.

At massen på dempelegemet kan reduseres kan nyttiggjøres ved at diameteren på røret i midten som kan transportere skjærvæske frem til skjærspissen, kan økes. Mengden skjærvæske som fremføres kan dermed med denne løs-ningen økes i forhold til dagens løsninger. Fordelen med dette er mer effektiv fjerning av spon fra skjærspissen.

Et annet kjent problem med løsningen i patent 172677, er at dempevæsken i hulrommet mellom massen og røret i midten, kan lekke forbi elastomeren brukt som fjærelement, dersom denne opptrer som en dynamisk tetning og ikke er bundet til omliggende deler.

Løsningen foreslått i den foreliggende oppfinnelse eliminerer dette problemet siden den fjærende elastomeren er bundet direkte til den omliggende konstruksjonen, eller det er søkt benyttet statiske tetninger.

Dempeanordningens dempelegeme har en aksialt gjennomgående boring. De elastiske elementene, eller fjærelementene er anbrakt i hver ende av dempe-elementet og er koplet til et gjennom boringen aksialt forløpende langstrakt sentrallegeme eller rør.

I en anvendelse kan anordningen anbringes i et dertil innrettet hulrom med hovedsakelig aksial og sylindrisk utforming inne i en borstang. Røret kan være fast koplbart til en innvendige boring for kjølefluidum i borstangen (idet de elastiske fjærelementene holdes på plass ved hjelp av utvendig anbrakte skiver).

I en utførelsesform tillater den foreliggende oppfinnelse tilførsel av kjøle-fluidum frem til en skjæregg, ved at kjølefluidet føres rett gjennom dempeanordningens aksial-område ved at det langstrakte sentrallegeme er utformet som et rør. Denne konstruksjonen tillater at samme hulrom i borstangen kan oppta et dempelegeme. Spalten mellom dempelegemet og hulrommets vegg kan reduseres vesentlig, slik at diameteren på dempelegemet er større.

I en utførelsesform er ytterdiameteren av det aksialt forløpende langstrakte sentrallegeme tilpasset diameteren av boringen med en liten klaring for opptak av et dempende medium, eksempelvis et dempefluid slikt som en dempeolje.

I en utførelsesform kan mellomrommet for det dempende mediet være plassert nær dempelegemets og borstangens akse, for å redusere sentrifugal-kraftens innvirkning på mediet til et akseptabelt nivå, hvilket har en gunstig virkning når dempesystemet skal rotere med stor hastighet.

Dempeanordningen vil nå beskrives nærmere ved hjelp av utførelses-eksempler, og med henvisning til de vedføyde tegningene, hvor

fig. 1 viser dempeanordningen i sin enkleste og mest grunnleggende form,

fig. 2 viser dempeanordningen i en form der det er tatt hensyn til monteringsmåte og sammenføyning,

fig. 3 viser en demper ifølge kjent teknikk innebygd i en borstang, og

fig. 4 viser en monteringsmåte for dempeanordningen når den skal plasseres på et plant objekt som ønskes dempet.

På figur 1 vises et eksempel på en enkel utforming av dempeanordningen i henhold til oppfinnelsen. Det hovedsakelig sylindriske dempelegemet (1) er for-synt med en gjennomgående, aksial boring (6). Inne i boringen befinner det seg et aksialt forløpende langstrakt sentrallegeme eller rør (3) som rent generelt er innrettet for å festes stivt med sine ytterender inne i en borstang eller til den gjen-stand som skal dempes. Røret (3) er fortrinnsvis innrettet for å føre et kjølefluid gjennom seg i kommunikasjon med en kanal som går videre inn i borstangen. I hver ytterende av dempelegemet (1) er det tilknyttet fjærelementer (2) av sirkulær form med for eksempel et rektangulært tverrsnitt. Fjærelementene (2) kan således være utformet som elastiske skiver eller avkortetede hule sylindere, med en gjennomgående åpning for passasje av det langstrakte sentrallegemet (3) og to motstående endeflater. Endeflatene vil normalt være hovedsakelig parallelle. Fjærelementene (2) kan eksempelvis lages av gummi eller et annet elastisk materiale. Det langstrakte sentrallegemet (3) er fast forbundet med den ene endeflaten, og dempelegemet (1) er fast forbundet med den andre endeflaten ved at fjærelementene (2) videre er forbundet til skivene eller endestykkene (5) som igjen er forbundet med røret (3) ved for eksempel vulkanisering eller liming. Skivene (5) er fortrinnsvis fastgjort til røret (3) med en skruforbindelse, men trenger ikke nødvendigvis å være det. Systemets egenfrekvens varieres ved å endre dimensjonene eller materialegenskapene på fjærelementet (2).

På figur 2 vises et eksempel der sammenføyning av delene er hensyntatt. Her er fjærelementene (2), sammenkoblet med mellomskiver (7) på hver side. Sammenføyningene kan foretas i støpingen av fjærelementene (2) og gjøres ved at bindemidler påføres kontaktflatene på mellomskivene (7). Mellomskivene (7) letter i sin tur monteringen av fjærelementene (2) til dempelegemet (1) og skivene (5). Mellomskivene (7) kan eksempelvis festes til disse delene med lim, og tette mot lekkasje av olje. Alternativt kan de festes med mekanisk låsing, og med en tetteringer (8) i kontaktflatene for å hindre lekkasje, som vist på figuren. Skivene (5) er skrudd fast til røret (3), og er på denne måten fast forbundet med røret eller det langstrakte sentrallegemet (3). Dempelegemene (1) er plassert mellom disse skivene (5). To fjærelementer (2) er plassert mellom de to skivene (5) og dempelegemet (1), slik at en av endeflatene på hvert fjærelement (2) er fast forbundet med de to skivene (5). Den andre endeflaten på hvert fjærelement (2) er fast forbundet med dempelegemet (2).

På fig. 3 vises en dempeanordning i henhold til kjent teknikk innebygd i en borstang 9. Borstangen 9 har en kjølekanal 11 i direkte kommunikasjon med sentralrøret 3, og disse er innrettet langs borstangens akse 12.

Det er også mulig å benytte dempeanordningen ifølge oppfinnelsen til utvendig demping av eksempelvis et plant objekt, og på fig. 4 vises en monterings-anordning til slik bruk. Det aksialt forløpende langstrakt sentrallegeme 3 benyttes da som oppheng i to braketter 13 som igjen er fast montert til legemet som skal dempes. For øvrig har dempeanordningen samme utførelse som på fig. 2.1 dette tilfellet trenger det langstrakte sentrallegemet ikke å være hult.

Dempeanordningen fungerer generelt på følgende måte:

Når konstruksjonen som skal dempes, eksempelvis verktøyholderen, settes i bevegelse på grunn av påvirkningen i sammenheng med ytre krefter for eksempel fra et skjærende verktøy, vil noe av denne bevegelsen overføres via fjærelementene til dempelegemets masse. På grunn av geometrien og forbindelsen mellom skivene og dempelegemet, vil fjærelementene oppleve disse som skjærkrefter. Bevegelse (energi) som ikke overføres fra verktøyholderen gjennom røret og via fjærelementene til dempelegemet, omdannes til varmeenergi i fjærelementene og eventuelt i dempefluidet. Varmen genereres i dette tilfellet ved friksjon internt i dempefluidet og i fjærelementene, samt i de forskjellige grenseflatene.

Ved kontinuerlig drift forekommer en typisk oscillerende bevegelse, og verktøyholder og dempelegeme vil hovedsakelig bevege seg med samme frekvens, men faseforløp og akselerasjon vil være noe forskjellig. Faseforskjellen bevirker den nødvendige deformasjon/friksjon i fjærelementer og dempefluidet, hvilket gir energitapet i form av varmeutvikling. Derved blir også akselerasjon for verktøyholder og dempelegeme forskjellig, og dempekraften står i direkte forhold til denne forskjellen.

Claims (8)

1. Dempeanordning for demping av vibrasjoner i verktøyholdere, maskinelementer og arbeidsstykker i verktøymaskiner og andre gjenstander som utsettes for uønskede vibrasjoner, tilpasset for anbringelse i eller på gjenstanden, om-fattende et hovedsakelig sylindrisk utformet dempelegeme (1) med en gjennomgående boring (6), et gjennom boringen (6) forløpende langstrakt sentrallegeme (3), to fjærelementer (2) utformet med to hovedsakelig motstående endeflater og en åpning der det langstrakte sentrallegemet (3) passerer, anbrakt på hver side av dempelegemet (1), en skive (5) anbrakt på det langstrakte sentrallegemet (3) på hver side av dempelegemet og fjærelementene (2) slik at fjærelementene er plassert mellom de to skivene (5) og dempelegemet (1), karakterisert ved at sentrallegemet (3) er tilpasset for fast forbindelse med gjenstanden som skal dempes, og dempelegemet (1) er forbundet med det langstrakte sentrallegemet (3) via de to fjærelementene (2); dempelegemets (1) gjennomgående boring (6) innehar en klaring til det langstrakte sentrallegeme (3) for å tillate innbyrdes bevegelse mellom dette og dempelegemet (1); skiven (5) på hver side av dempelegemet og fjærelementene (2) er fast forbundet med det langstrakte sentrallegemet (3); og den ene av endeflatene på hvert fjærelement (2) er fast forbundet med hver av de to skivene (5) og den andre av endeflatene på hvert fjærelement (2) er fast forbundet med dempelegemet (2).

2. Dempeanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at fjærelementene (2) er utformet av et elastomer-materiale og er innfestet ved kjemisk binding under en vulkaniseringsprosess.

3. Dempeanordning for demping av vibrasjoner i henhold til krav 1, karakterisert ved at fjærelementene (2) er utformet som elastiske skiver eller avkortetede hule sylindere med parallelle endeflater.

4. Dempeanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at fjærelementene (2) er koblet til dempelegemet (1) og skivene (5) via mellomskiver (7) som forbindes til skivene (5) eksempelvis ved liming eller mekanisk låsing.

5. Dempeanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at en tykkelse av fjærelementene (2), eller avstand mellom endeflatene er dimensjonert for å bestemme dempelegemets (1) egenfrekvens, og at egenfrekvensen derav kan justeres ved å endre denne tykkelsen.

6. Dempeanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det langstrakte sentrallegemets (3) ytterdiameter er tilpasset diameteren av boringen (6) med en liten klaring for opptak av dempevæske (4).

7. Dempeanordning ifølge krav 6, karakterisert ved at dempelegemet (1) er utstyrt med åpning for innføring av dempevæske i mellomrommet.

8. Dempeanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at dempelegemet (1) er tilpasset for anbringelse i et dertil innrettet hulrom i en borestang (9) som er hovedsakelig aksialt og sylindrisk utformet inne i borstangen (9); at det langstrakte sentrallegeme (3) utgjøres av et rør, forløpende aksialt, og som kan føre et kjølefluidum, hvilket rør (3) er fast koplbart til borstangens (9) innvendige boring for kjølefluidum.