WO2008014744A2 - Verfahren zum vermindern von schwingungen an einem um eine drehachse drehenden scheibenförmigen drehbauteil sowie drehbauteil - Google Patents

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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/10Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing vibrations on a disc-shaped rotary member rotating about an axis of rotation which is in frictional sliding contact with a counter-surface of a counterpart member with a circular surface coaxial with the rotary axis relative to which the rotary member rotates.
  • the invention further relates to a disc-shaped rotary member which is rotatable in an installed position about a rotation axis and with a coaxial to the rotation axis circular surface in sliding frictional contact with a counter surface of a counterpart member can be brought, relative to which the rotary member is rotatable.
  • Vibrations especially vibrations audible in the audible frequency range as squeaking, are a common problem in the art when frictional contact exists between a mating surface and a rotating component rotating relative to the mating surface.
  • a typical example of such audible vibrations is brake squeal, which occurs in track vehicles as well as motor vehicles.
  • the invention has for its object to provide a solution for the described vibration problem.
  • This object is achieved by a method for reducing vibrations on a disc-shaped rotary member rotating about a rotation axis and slidingly rubbing against a circular surface coaxial with the rotation axis with a counter surface of a counterpart member relative to which the rotary member rotates
  • the rotary member is formed such that an existing about its axis of rotation cyclic symmetry is disturbed.
  • rotatable rotary components having a coaxial circular surface which has an outer peripheral surface or an axially directed Surface may be in frictional contact with a mating surface of a mating member, represent membrane-like components that are excitable to various vibration modes.
  • the sliding frictional contact can lead to a feedback between modes of the same shape but reversing tangential position or opposite position in the direction of rotation, such modes having the same natural frequency. The feedback between such modes with the same frequency leads to instability.
  • a disturbance of the cyclic symmetry separates the frequency of the feedback modes, which disturbs the instability conditions and reduces or largely suppresses the occurrence of vibrations.
  • the rotary member is longitudinally provided in the circumferential direction with asymmetrically arranged and / or unbalanced shaped disturbances whose number is m, where n / m is not an integer and n is the number of symmetry cycles of the rotary member.
  • An inventive disc-shaped rotary member which is rotatable in an installed position about an axis of rotation and can be brought into sliding frictional contact with a counter surface of a counter component with a coaxial to the axis of rotation circular relative to which the rotary member is rotatable, is disturbed about its axis of rotation, cyclic symmetry is trained.
  • the dimensions of the windows advantageously satisfy the following relationships: width of each window in the circumferential direction greater than 5 degrees; Radial length of each window greater than 10% of the radial length of the rotary member in the region of the window.
  • width of each window in the circumferential direction greater than 5 degrees
  • Radial length of each window greater than 10% of the radial length of the rotary member in the region of the window.
  • the invention is applicable to substantially all types of excitable to natural oscillations, in particular to natural oscillations with the same shape but reversing tangential position or position in the circumferential direction components.
  • Such components are mainly components that are made for example of a flat disc with optionally different thickness, for example, by warping, pressing or otherwise which deformation of the disc out of its surface.
  • the disc can also remain flat, such as a brake disc.
  • the invention is applicable to a sealing membrane on a dual mass flywheel.
  • FIG. 2 shows a circular ring disk in two oscillation modes with the position reversed in the circumferential direction
  • FIG. 3 shows a sealing membrane, which is radially inwardly in rotationally fixed connection with a first disc part of a dual mass flywheel, and radially outside under axial bias in frictional contact with a second disc part; - A -
  • Fig. 12 u. 13 two different arrangements of four windows in a sealing membrane.
  • Fig. 1 shows a slightly perspective view of a circular disk, which is preferably formed flat and has a small thickness relative to its diameter.
  • the annular disc is clamped and fixed at its inner diameter and is at its outer diameter under radial bias on the inner surface of a coaxial with the annular disc 20 arranged circular cylinder which rotates.
  • the arrangement could also be such that the circular cylinder is stationary and the annular disc rotates.
  • n 2 ⁇ 0 have along the circumference n 2 bulges and depressions or vibration surfaces, between each of which a node is located.
  • An instability of the oscillation occurs in particular if for each mode a "pair" (s ⁇ ⁇ ⁇ - »m b ) with the same frequency is present, with the bulges and depressions of one mode exactly in the position where the other one Mode has vibration node.
  • Fig. 1 shows darkly indicated a vibrobelly at the top and bottom in the figure, the nodal line extending horizontally between the bellies.
  • Fig. 2 illustrates the paired mode, in which the darkly indicated antinodes 22 lie in the horizontal and the node line, not shown, is perpendicular.
  • the natural frequencies of the mechanical system can be interpreted as complex numbers, with their imaginary part indicating the oscillation frequency and the real part describing the stability. If the real parts of all eigenfrequencies are negative or equal to zero, the system is stable.
  • the systems with symmetrical stiffness matrix are stable. They only have natural frequencies with real parts with the value zero. If the stiffness matrix is asymmetrical, the real parts of some eigenfrequencies can become non-zero.
  • the eigenvalues are evaluated in the frequency range up to 10000 Hz (typically the density diaphragm squeak frequency is between 2000 and 8000 Hz).
  • Such a sealing membrane is a preferably metallic annular disc which is rigidly connected at its inner peripheral region with a first disc part of the dual mass flywheel, for example by riveting and which is axially arched from its riveted radially inner region and in its radially outer region under axial prestress in sliding friction contact with a second disc part of the dual mass flywheel, which is mounted coaxially with the first disc part and is rotatable relative to the first disc part to a limited extent.
  • Fig. 3 shows in supervision the conditions:
  • the annular sealing member forming the sealing member is denoted, which is connected at its circular radially inner portion 32 via dark registered connecting portions, such as rivets, with a disc portion 32 of a dual-mass flywheel, not shown, and at its radially outer portion 34 in slidable Reibbermulung with the another disc part of the dual mass flywheel is.
  • the friction contact is preferably preloaded axially, but may also be biased radially.
  • Membrane windows are formed 36 whose task is explained in more detail below.
  • the windows 36 have a radial extent ⁇ Ri, where i is assigned to the respective window, and an extension in the circumferential direction over an angular range ⁇ i.
  • the radial width of the annular disc 20 is H.
  • FIG. 4 shows the arrangement of FIG. 3 with a windowless sealing membrane 30 and a dual-mass flywheel which is rotatable about an axis of rotation X or, respectively, a sealing membrane 30 which is rotatable relative to one of the disk parts about the axis of rotation X.
  • Fig. 5 shows characteristics of the vibration behavior of the sealing membrane 30 of Fig. 4.
  • the abscissa indicates the frequencies of the natural vibrations in Hz.
  • the ordinate indicates the above-explained values of ⁇ in sec -1 (only for eigenfrequencies with ⁇ > 0).
  • ⁇ in sec -1 only for eigenfrequencies with ⁇ > 0.
  • Fig. 6 shows an arrangement in which the sealing membrane 30 is provided with a window 36.
  • the sealing membrane in the range between 0 and 10000 Hz can be made completely stable, ie without eigenvalues with a positive real part.
  • two different possible window arrangements are shown in Figures 12 and 13.
  • the number of windows, their dimensions and their arrangement is as follows:
  • the object of the arrangement of windows is a disturbance of the axial cyclic symmetry, so that the frequencies of feedback modes are different. There are various possibilities for this, for example a change in the bearing, a change in the component surface, a change in the component thickness, a change in the basis weight, etc.
  • the provision of windows or sections to disturb the symmetry has proven to be effective.
  • n n / m
  • the tangential width (angular range) of each window should be more than 5 ° ( ⁇ > 5 °).
  • the radial length ⁇ R of each window should be more than 10% of the radial dimension H of the sealing membrane.
  • the windows are thus formed asymmetrically both in their position to each other and in their shape.
  • the optimum dimensions of the windows are not too small, because the influence on the instability of the vibration behavior to be eliminated then becomes too low and, on the other hand, not too great because of the strength and rigidity of the membrane.
  • the influence of the windows on the instability of the vibration behavior should be checked by calculations.
  • the testing of the effectiveness of the measures is carried out both by numerical examination with the Q-R Damped Modal Analysis in the ANSYS 10.0 program or similar procedure in other programs as well as on the test bench by directly examining the acoustic behavior.
  • disk-shaped component includes pot-shaped or hat-shaped components which can be formed from a disk.

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Abstract

Verfahren zum Vermindern von Schwingungen an einem sich um eine Drehachse drehenden scheibenförmigen Drehbauteil, das mit einer zur Drehachse koaxialen kreisförmigen Fläche in gleitender Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils ist, relativ zu dem sich das Drehbauteil dreht, bei welchem Verfahren das Drehbauteil derart ausgebildet wird, dass eine um seine Drehachse bestehende zyklische Symmetrie gestört ist.

Description

Verfahren zum Vermindern von Schwingungen an einem um eine Drehachse drehenden scheibenförmigen Drehbauteil sowie Drehbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermindern von Schwingungen an einem sich um eine Drehachse drehenden scheibenförmigen Drehbauteil, das mit einer zur Drehachse koaxialen kreisförmigen Fläche in gleitender Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils ist, relativ zu dem sich das Drehbauteil dreht.
Die Erfindung betrifft weiter ein scheibenförmiges Drehbauteil, das in einer Einbaulage um eine Drehachse drehbar ist und mit einer zur Drehachse koaxialen kreisförmigen Fläche in gleitende Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils bringbar ist, relativ zu dem das Drehbauteil drehbar ist.
Schwingungen, insbesondere im Hörfrequenzbereich als Quietschen hörbare Schwingungen, sind ein weit verbreitetes Problem in der Technik, wenn eine Reibberührung zwischen einer Gegenfläche und einem relativ zu der Gegenfläche drehenden Drehbauteil besteht. Ein typisches Beispiel solcher hörbaren Schwingungen ist Bremsenquietschen, das bei Gleisfahrzeugen aber auch Kraftfahrzeugen auftritt.
An der Beseitigung solcher Schwingungen wird seit vielen Jahren mit unterschiedlichem Erfolg gearbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösungsmöglichkeit für das geschilderte Schwingungsproblem anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Vermindern von Schwingungen an einem sich um eine Drehachse drehenden scheibenförmigen Drehbauteil, das mit einer zur Drehachse koaxialen kreisförmigen Fläche in gleitender Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils ist, relativ zu dem sich das Drehbauteil dreht, gelöst, bei welchem Verfahren das Drehbauteil derart ausgebildet wird, dass eine um seine Drehachse bestehende zyklische Symmetrie gestört ist.
Insgesamt flächig ausgebildete, um eine Drehachse drehbare Drehbauteile, die mit einer koaxialen kreisförmigen Fläche, die eine äußere Umfangsfläche oder eine axial gerichtete Fläche sein kann, in Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils sind, stellen membranartige Bauteile dar, die zu vielfältigen Schwingungsmoden anregbar sind. Die gleitende Reibberührung kann zu einer Rückkopplung zwischen Moden mit der gleichen Form aber umkehrender tangentialer Position bzw. gegensätzlicher Position in Umlaufrichtung führen, wobei solche Moden die gleiche Eigenfrequenz haben. Die Rückkopplung zwischen solchen Moden mit derselben Frequenz führt zur Instabilität.
Bei umfangreichen Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die Rückkopplung paarig auftretende Moden des Drehbauteils zusammen bindet und deshalb die zyklische Symmetrie des Drehbauteils eine große Rolle spielt.
Eine Störung der zyklischen Symmetrie trennt die Frequenz der rückgekoppelten Moden, wodurch die Instabilitätsbedingungen gestört und das Auftreten von Schwingungen vermindert oder weitgehend unterdrückt wird.
Vorteilhaft wird das Drehbauteil längs in Umfangsrichtung mit unsymmetrisch angeordneten und /oder unsymmetrisch geformten Störungen versehen, deren Anzahl m beträgt, wobei n/m keine ganze Zahl ist und n die Anzahl der Symmetriezyklen des Drehbauteils ist.
Ein erfindungsgemäßes scheibenförmiges Drehbauteil, das in einer Einbaulage um eine Drehachse drehbar ist und mit einer zur Drehachse koaxialen kreisförmigen Fläche in gleitende Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils bringbar ist, relativ zu dem das Drehbauteil drehbar ist, ist mit um seine Drehachse gestörter, zyklischer Symmetrie ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise ist das Drehbauteil mit in Umfangsrichtung unsymmetrisch angeordneten und/oder relativ zueinander unsymmetrisch ausgebildeten Fenstern in einer Anzahl m versehen, wobei gilt: n/m keine ganze Zahl und n = Anzahl der Symmetriezyklen des Drehbauteils.
Die Abmessungen der Fenster erfüllen vorteilhafter Weise folgende Beziehungen: Breite jedes Fensters in Umfangsrichtung größer als 5 Grad; radiale Länge jedes Fensters größer als 10% der radialen Länge des Drehbauteils im Bereich des Fensters. Für die Anordnung der Fenster gelten vorteilhafter Weise folgende Beziehungen:
- radiale Unsymmetrie -≡* ≡L> 0.2,
- tangentiale Unsymmetrie ΔΦmax -ΔΦmin > 10°, wobei i?,,ζz?(die radiale und tangentiale Position des „Schwerpunktes" des Fensters i(i = l,...,m) sind und
^nax = ∞ax{R. }, Rmia = mm{R.}, i = 1,..., m;
Δφ « = K - Ψil i = l,-,m - 1; ΔΦm
Figure imgf000004_0001
AΦ.nax ^ maxJΔΦ,.}, ΔΦrain = min{ΔΦmin}, i = l,...,m.
Die Erfindung ist für weitgehend alle Arten von zu Eigenschwingungen anregbaren, insbesondere zu Eigenschwingungen mit gleicher Form aber umkehrender tangentialer Position bzw. Position in Umfangsrichtung Bauteilen anwendbar. Solche Bauteile sind vorwiegend Bauteile, die beispielsweise aus einer ebenen Scheibe mit gegebenenfalls unterschiedlicher Dicke hergestellt sind, beispielsweise durch Verwölben, Verpressen oder sonst welche Verformung der Scheibe aus ihrer Fläche heraus. Die Scheibe kann auch eben bleiben, wie beispielsweise eine Bremsscheibe.
Vorteilhafterweise ist die Erfindung für eine Dichtungsmembrane an einem Zweimassenschwungrad anwendbar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
Fig. 1 u. 2 eine Kreisringscheibe in zwei Schwingungsmoden mit umgekehrter Position in Umfangsrichtung;
Fig. 3 eine Dichtungsmembrane, die radial innen in drehfester Verbindung mit einem ersten Scheibenteil eines Zweimassenschwungrads ist, und radial außen unter axialer Vorspannung in Reibberührung mit einem zweiten Scheibenteil ist; - A -
Fig. 4, 6,
8 u. 10 drei Ausführungsbeispiele von Dichtungsmembranen mit unterschiedlicher
Fensterzahl,
Fig. 5, 7, 9 und 11 die zu den Figuren 4, 6, 8 und 10 gehörenden Eigenschwingungskennwerte und
Fig. 12 u. 13 zwei unterschiedliche Anordnungen von jeweils vier Fenstern in einer Dichtungsmembran.
Fig. 1 zeigt in leicht perspektivischer Darstellung eine Kreisringscheibe, die vorzugsweise flach ausgebildet ist und eine gegenüber ihrem Durchmesser geringe Dicke hat. Die Kreisringscheibe 20, die eben oder verwölbt ausgerichtet sein kann, hat einen inneren Durchmesser R1 und einen Außendurchmesser R2. Die Kreisringscheibe ist an ihrem inneren Durchmesser eingespannt und festgelegt und liegt an ihrem äußeren Durchmesser unter radialer Vorspannung an der Innenfläche eines koaxial zur Kreisringscheibe 20 angeordneten Kreiszylinders an, der sich dreht. Alternativ könnte die Anordnung auch derart sein, dass der Kreiszylinder ortsfest ist und sich die Kreisringscheibe dreht.
Durch die radiale Vorspannung besteht eine in der Ebene der Kreisringscheibe liegende, senkrecht auf deren Außendurchmesser stehende Normalkraft. Infolge der Gleitberührung besteht eine in Tangentialrichtung der Kreisringscheibe wirkende Tangentialkraft.
Die Kreisringscheibe ist ein zu Schwingungen anregbares Bauteil, wobei die Eigenmoden der Schwingung der Kreisringscheibe folgende Form haben: wA(r,φ) = Rnln2(r)sinn2φ, wB(r,φ) = Rnhl2(r)cosn2φ , wobei r, p Koordinaten im zylindrischen Koordinatensystem und ni = 0,1 ,2...; n2 = 0,1 ,2...; ganze Zahlen sind.
Solche Moden im Fall n2 ≠ 0 haben längs des Umfangs n2 Wölbungen und Vertiefungen bzw. Schwingungsflächen, zwischen denen jeweils ein Schwingungsknoten liegt. Eine Instabilität der Schwingung tritt insbesondere dann auf, wenn für jede Mode eine „Paar" (sτα <-» mb) mit der gleichen Frequenz vorhanden ist, wobei die Wölbungen und Vertiefungen der einen Mode genau in der Position sind, wo der andere Mode Schwingungsknoten hat. Fig. 1 zeigt dunkel angedeutet je einen Schwingungsbauch oben und unten in der Figur, wobei die Knotenlinie zwischen den Bäuchen waagrecht verläuft. Fig. 2 stellt den paarigen Mode dar, bei dem die dunkel angedeuteten Schwingungsbäuche 22 sich in der Waagrechten gegenüberliegen und die nicht dargestellte Knotenlinie senkrecht verläuft.
Wenn die Kreisringscheibe in den Moden gemäß Figuren 1 und 2 schwingt, findet unter Reibberührung längs des Umfangs der Kreisringscheibe eine Änderung der Normalkraft statt, die im Bereich der Schwingungsbäuche maximal ist und im Bereich der Schwingungsknoten minimal ist. Die Änderung der Normalkraft führt zu Änderungen der Tangentialkraft. Die Änderung der Tangentialkraft beeinflusst die paarweise auftretenden Moden, wodurch eine Rückkopplung zwischen den paarweise auftretenden Moden besteht. Ohne Dämpfung sind solche Moden instabil.
Die axiale Verformung der Scheibe führt zu periodischen Änderungen der Normalkraft. Durch die Reibung führt diese periodische Änderung der Normalkraft zu einer periodischen Änderung der Tangentialkraft. Die tangentialen Veränderungen bewirken keine Veränderung der Axialkraft, wodurch die Steifigkeitsmatrix des Systems bei Reibung unsymmetrisch ist.
Die Eigenfrequenzen des mechanischen Systems können als komplexe Zahlen interpretiert werden, wobei deren Imaginärteil die Schwingungsfrequenz angibt und der Realteil die Stabilität beschreibt. Sind die Realteile aller Eigenfrequenzen negativ oder gleich Null, ist das System stabil. Die Entstehung von Eigenfrequenzen mit positiven Realteilen dagegen bedeutet Instabilität.
Ohne Dämpfung sind die Systeme mit symmetrischer Steifigkeitsmatrix stabil. Sie haben nur Eigenfrequenzen mit Realteilen mit dem Wert Null. Bei Asymmetrie der Steifigkeitsmatrix können die Realteile einiger Eigenfrequenzen ungleich Null werden.
Die Analyse von komplexen Eigenfrequenzen unter Betrachtung der Asymmetrie der Steifigkeitsmatrix ermöglicht die Stabilität in Systemen mit Reibung zu untersuchen. ANSYS 10.0 mit Q-R Damped Modalanalyse ist ein Programm, mit dem solche Analysen durchführbar sind. Die Analyse von komplexen Eigenfrequenzen ermöglicht nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Aussagen. Die Größe der Realteile λ der komplexen Eigenfrequenzen zeigt, wie sich die entsprechende Eigenmodeamplitude ändert. Null Realteil (/1 = 0 ) bedeutet konstante Schwingungsamplitude; wenn λ ungleich Null ist, gibt es den Ausdruck A(t) = A0 Eλt, der die Amplitude einer Schwingung in Abhängigkeit von der Zeit angibt, λ > 0 bedeutet eine zunehmende Schwingung, d. h. Instabilität, und λ < 0 eine Senkung der Schwingungen.
Die Eigenfrequenzen, besonders deren Realteile, hängen nicht nur von der Unsymmetrie der Steifigkeitsmatrix ab, sondern auch von der Dämpfung. In Systemen mit Kontaktreibung bzw. Berührungsreibung ist die Dämpfung ein unsicherer Parameter, da sie sich mit der Schwingungsfrequenz und deren Amplitude, mit dem Reibwert, der Anpresskraft und vielen anderen Faktoren ändert. Deswegen ist die genaue Einführung von Dämpfung in Q-R Damped Modalanalyse nicht möglich und die Modalanalyse erfolgt ohne Dämpfungsinventur. Die Größe der Realteile mit positivem Vorzeichen in Systemen ohne Dämpfung wird als Kriterium von Instabilität der verschieden Eigenmoden verwendet.
In den Berechnungen wird ein Reibwert von 0.5 angenommen, weil in Versuchen an einer Drehbank Quietschen entsteht, wenn der Reibwert im Kontakt durch lokalen Materialabtrag bis μ = 0.5 - 0.6 steigt. Die Eigenwerte werden im Frequenzbereich bis 10000 Hz aus (typisch liegt die Dichtmembranquietschfrequenz zwischen 2000 und 8000 Hz) ausgewertet.
Im Folgenden werden die vorstehenden Überlegungen in ihrer Anwendung auf eine Dichtungsmembran erläutert, wie sie in einem Zweimassenschwungrad verwendet wird, wie es beispielsweise in der DE 100 02 259 A1 beschrieben ist. Eine solche Dichtungsmembran ist eine vorzugsweise metallische Ringscheibe, die an ihrem inneren Umfangsbereich mit einem ersten Scheibenteil des Zweimassenschwungrades beispielsweise durch Nieten starr verbunden ist und die von ihrem vernieteten radial inneren Bereich ausgehend axial verwölbt ist und in ihrem radial äußeren Bereich unter axialer Vorspannung in gleitbarer Reibberührung mit einem zweiten Scheibenteil des Zweimassenschwungrades ist, das koaxial zum ersten Scheibenteil gelagert und relativ zum ersten Scheibenteil um ein begrenztes Maß verdrehbar ist.
Fig. 3 zeigt in Aufsicht die Verhältnisse:
Mit 30 ist die kreisringförmige, das Drehbauteil bildende Dichtungsmembran bezeichnet, die an ihrem kreisförmigen radial inneren Bereich 32 über dunkel eingetragene Verbindungsbereiche, beispielsweise Nieten, mit einem Scheibenteil 32 eines nicht dargestellten Zweimassenschwungrades verbunden ist und an ihrem radial äußeren Bereich 34 in gleitbarer Reibberührung mit dem anderen Scheibenteil des Zweimassenschwungrades ist. Die Reibberührung ist vorzugsweise axial vorgespannt, kann aber auch radial vorgespannt sein. In der Dich- tungsmembran sind Fenster 36 ausgebildet, deren Aufgabe nachfolgend näher erläutert ist. Die Fenster 36 haben eine radiale Erstreckung ΔRi, wobei i dem jeweiligen Fenster zugeordnet ist, und eine Erstreckung in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich Δφi. Die radiale Breite der Kreisringscheibe 20 beträgt H.
Fig. 4 zeigt die Anordnung der Fig. 3 mit fensterloser Dichtungsmembran 30 und um eine Drehachse X insgesamt drehbaren Zweimassenschwungrad bzw. entsprechend um die Drehachse X relativ zu einem der Scheibenteile drehbaren Dichtungsmembran 30.
Fig. 5 zeigt Charakteristika des Schwingungsverhaltens der Dichtungsmembran 30 der Fig. 4. Die Abszisse gibt die Frequenzen der Eigenschwingungen in Hz an. Die Ordinate gibt die weiter oben erläuterten Werte von λ in sek"1 an (nur für Eigenfrequenzen mit λ > 0). Wie ersichtlich, bestehen zahlreiche unstabile Eigenfrequenzen bzw. Schwingungsmodes, die die vorstehend erläuterten Bedingungen für einen Energieaustausch erfüllen und dadurch Anlass zu einem hörbaren Quietschen bilden.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der die Dichtungsmembran 30 mit einem Fenster 36 versehen ist. Nach Optimierung des Fensters hinsichtlich Anordnung und Ausmaßen ergeben im Bereich zwischen 0 und 10000 Hz lediglich neun Eigenfrequenzen mit positivem Realteil, wobei deren maximaler Wert bei 44,4 sek"1 liegt (Fig. 7).
Wenn gemäß Fig. 8 zwei Fenster vorgesehen werden, ergeben sich nach deren Optimierung hinsichtlich Lage und Größe gemäß Fig. 9 lediglich zwei Eigenwerte mit positivem Realteil und einem maximalen Wert von 26,4 sek"1.
Bei drei Fenstern in der Anordnung und Größe der Fig. 10 ergeben sich gemäß Fig. 11 drei Eigenfrequenzen mit positivem Realteil, wobei deren maximaler Wert lediglich 5,6 sek"1 beträgt.
Bei vier Fenstern (Figuren 12 und 13) kann die Dichtungsmembran im Bereich zwischen 0 und 10000 Hz vollständig stabil gestaltet werden, d.h. ohne Eigenwerte mit positivem Realteil. Dabei sind in den Figuren 12 und 13 zwei unterschiedliche mögliche Fensteranordnungen dargestellt. Für die Zahl der Fenster, deren Abmessungen und deren Anordnung gilt Folgendes: Ziel der Anordnung von Fenstern ist eine Störung der axialen zyklischen Symmetrie, so dass die Frequenzen sich rückkoppelnder Moden unterschiedlich sind. Hierfür gibt es an sich unterschiedlichste Möglichkeiten, beispielsweise eine Änderung der Lagerung, eine Änderung der Bauteilfläche, eine Änderung der Bauteildicke, eine Änderung der flächenbezogenen Masse usw. Das Vorsehen von Fenstern oder Schnitten zur Störung der Symmetrie hat sich als wirkungsvoll erwiesen.
1. Zahl der Fenster m:
Für ein zyklisch symmetrisches Bauteil mit einer Anzahl von Zyklen = n soll das Verhältnis n/m keine ganze Zahl sein.
Die minimale Anzahl der Fenster für axial symmetrische Bauteile (n = 1) beträgt m = 2. Für die dargestellte Dichtmembran mit zyklisch symmetrischer Lagerung beträgt n = 6 (Untersuchungsergebnis am untersuchten Beispiel). Die minimale Anzahl der Fenster beträgt daher m = 4, denn bei m = 1 , 2 oder 3 beträgt n/m = 6, 3 oder 2.
2. Abmessungen des Fensters:
Die tangentiale Breite (Winkelbereich) jedes Fensters soll mehr als 5° betragen (Δφ > 5°).
Die radiale Länge ΔR jedes Fensters soll mehr als 10 % der radialen Abmessung H der Dichtungsmembran betragen.
3. Unsymmetrische Anordnung:
Angenommen, R, und φi seien die radiale und die tangentiale Position des Schwerpunk- tes des Fensters i und
ΔΦ,
Figure imgf000009_0001
l,...,m -l; ΔΦB = |fl -flJ; ΔΦmax = max{ΔΦ.}, ΔΦmin = min{ΔΦmin}, i = l,...,m, dann sollen folgende Bedingungen erfüllt sein: - radiale Unsymmetrie Rram R∞ia > 0.2,
- tangentiale Unsymmetrie ΔΦmax -ΔΦmin > 10°.
Die Fenster sind somit sowohl in ihrer Lage zueinander als auch in ihrer Gestalt unsymmetrisch ausgebildet.
Die optimalen Ausmaße der Fenster sind einerseits nicht zu klein, weil der Einfluss auf die zu beseitigende Instabilität des Schwingungsverhaltens dann zu gering wird, und andererseits wegen der Festigkeit und Steifigkeit der Membran nicht zu groß. Der Einfluss der Fenster auf die Instabilität des Schwingungsverhaltens soll durch Berechnungen geprüft werden.
Nachdem die Anzahl der Fenster festgelegt ist, werden deren radiale und tangentiale Position sowie deren Ausmaß optimiert, um die Zahl der Eigenwerte mit positiven Realteilen und dem maximalen Wert der Realteile zu minimieren.
Die Prüfung der Wirksamkeit der Maßnahmen erfolgt sowohl durch numerische Untersuchung mit der Q-R Damped Modalanalyse im ANSYS 10.0 Programm oder mit ähnlichem Verfahren in anderen Programmen als auch auf dem Prüfstand, indem das akustische Verhalten unmittelbar untersucht wird.
Das anhand seiner Anwendung auf eine mit axialer Vorspannung eingebaute Dichtungsmembran erläuterte erfindungsgemäße Verfahren kann auf alle um eine Achse rotierende Bauteile angewendet werden, die in gleitender Reibberührung mit einem anderen Bauteil sind, wobei die Reibkraft in radialer Richtung oder axialer Richtung des sich drehenden Bauteils wirken kann. Der Begriff scheibenförmiges Bauteil schließt hier topf- oder hutförmige Bauteile ein, die aus einer Scheibe geformt werden können.
Die gezielte Störung paarweise auftretender Eigenmodes hat sich als ein Entwicklungsinstrument herausgestellt, das wirksamer ist als bisher übliche Verfahren, bei denen versucht wurde, das Entstehen von Quietschgeräuschen auf Stick-Slip Phänomene zurückzuführen. Bezugszeichenliste
Kreisringscheibe
Schwingungsbauch
Dichtungsmembran
Bereich
Bereich
Fenster

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vermindern von Schwingungen an einem sich um eine Drehachse drehenden scheibenförmigen Drehbauteil, das mit einer zur Drehachse koaxialen kreisförmigen Fläche in gleitender Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils ist, relativ zu dem sich das Drehbauteil dreht, bei welchem Verfahren das Drehbauteil derart ausgebildet wird, dass eine um seine Drehachse bestehende zyklische Symmetrie gestört ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Drehbauteil längs in Umfangsrichtung mit unsymmetrisch angeordneten und /oder unsymmetrisch geformten Störungen versehen wird, deren Anzahl m beträgt, wobei n/m keine ganze Zahl ist und n die Anzahl der Symmetriezyklen des Drehbauteils ist.
3. Scheibenförmiges Drehbauteil (30), das in einer Einbaulage um eine Drehachse drehbar ist und mit einer zur Drehachse koaxialen kreisförmigen Fläche in gleitende Reibberührung mit einer Gegenfläche eines Gegenbauteils (34) bringbar ist, relativ zu dem das Drehbauteil drehbar ist, welches Drehbauteil mit um seine Drehachse gestörter, zyklischer Symmetrie ausgebildet ist.
4. Drehbauteil nach Anspruch 3, welches Drehbauteil mit in Umfangsrichtung unsymmetrisch angeordneten und/oder relativ zueinander unsymmetrisch ausgebildeten Fenstern (36) in einer Anzahl m versehen ist, wobei gilt: n/m keine ganze Zahl und n = Anzahl der Symmetriezyklen des Drehbauteils.
5. Drehbauteil nach Anspruch 4, wobei die Abmessungen der Fenster folgende Beziehungen erfüllen:
Breite jedes Fensters (36) in Umfangsrichtung größer als 5 Grad; radiale Länge jedes Fensters (36) größer als 10% der radialen Länge des Drehbauteils im Bereich des Fensters.
6. Drehbauteil nach Anspruch 4 oder 5, wobei für die Anordnung der Fenster folgende Beziehungen gelten: - radiale Unsymmetrie i?max ~ i?min > 0.2,
- tangentiale Unsymmetrie ΔΦmax - ΔΦmin > 10°, wobei i?,.,^.die radiale und tangentiale Position des „Schwerpunktes" des Fensters z"(j = l,...,m) sind und
K = max{i?;.}, Rmin = mmfal i = l>->m>
Δφ,
Figure imgf000013_0001
i = l,..,m - 1; ΔΦ,„ -
Figure imgf000013_0002
- φm\,
ΔΦmax = max{ΔΦ,}, ΔΦmin = min{ΔΦmin}, i = l,...,m.
7. Drehbauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, welches Drehbauteil eine Dichtungsmembran (30) an einem Zweimassenschwungrad (32), wobei die Dichtungsmembran an ihrem radial inneren oder äußeren Randbereich drehfest mit einem von zwei koaxial zueinander angeordneten begrenzt relativ zueinander verdrehbaren Scheibenteilen des Zweimassenschwungrades verbunden ist und mit ihrem radial äußeren oder inneren Randbereich in elastisch vorgespannter Anlage an den anderen der Scheibenteile ist.
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