-
Dämpfungseinrichtung an einem Torsionsstab-Elektromotor Die Erfindung
bezieht sich auf einen Elektromotor, insbesondere mit eingebautem Vorgelege (Getriebemotor),
wobei der Motorantriebsteil über einen Torsionsstab und eine Dämpfungseinrichtung
mit dem Abtrieb in elastischer Verbindung steht.
-
Es sind Torsionsstab-Elektromotoren bekannt, die zur Aufnahme von
Stößen (hervorgerufen durch die anzutreibende Arbeitsmaschine) zwischen Motor und
Abtrieb einen Torsionsstab aufweisen. Des weiteren sind Ausführungsforinen bekannt,
bei denen eine Dämpfungseinrichtung in Verbindung mit einem Torsionsstab vorgesehen
ist. Diese bekannten Elektromotoren haben einen wesentlichen Nachteil. Die mit den
bekannten Dämpfungseinrichtungen erreichten Widerstandskräfte für den Schwingungsvorgang
sind nicht der Geschwindigkeit proportional. Es ergibt sich somit für die Bewegungsgleichung
der Schwingung keine Linearität. Die Wichtigkeit einer Dämpfungseinrichtung mit
einer der Geschwindigkeit proportionalen Widerstandskraft ist nicht etwa darin zu
sehen, daß die für den Schwingungsvorgang sich ergebende lineare Differentialgleichung
mathematisch leichter erfaßbar ist, sondern darin, daß die Wirkungen der einzelnen
Harmonischen der Erregerkraft getrennt untersucht werden können. Die Mög-
lichkeit
der Untersuchung einzelner Bestandteile der Erregerfunktion (Störfunktion) entfällt
aber bei der nicht linearen Differentialgleichung. Es ist daher nicht möglich, zu
allgemeinen Aussagen über ihre Lösungen zu gelangen. Die Untersuchung der Erreg
gerfunktion ist jedoch eine der wichtigsten Voraussetzungen für die optimale Auslegung
einer Dämpfungseinrichtung, insbesondere bei Getriebemotoren. Durch die Kombination
von Motor und Getriebe zu einer Baueinheit und infolge der herrschenden Tendenz
nach Leichtbau und höheren Drehzahlen ergibt sich ein schwingungsanfälliges Gebilde,
das nur über eine Dämpfungseinrichtung vor Resonanz geschützt werden kann. Durch
neue Werkstoffbehandlungs- sowie Bearbeitungsverfahren ist es in letzter Zeit gelungen,
die Beanspruchungsfähigkeit von Torsionsstäben erheblich zu steigern und damit die
Querschnitte derselben zu verkleinern und den Federweg sowie die Ansprechempfindlichkeit
zu verbessern. Es ist somit möglich, den Lastausgleich von Getriebemotoren mit Planetengetrieben
mit mehr als einem Planetenrad günstiger zu gestalten und die von der Verzahnung
herrührenden dynamischen Kräfte, hervorgerufen durch Teilungsfehler der Räder, Kanteneingriff
bei starker Verformung der Verzahnung, Richtungswechsel der Reibungskraft im Wälzkreis
(insbesondere bei Geradverzahnung), über die Dämpfungseinrichtung abzubauen bzw.
zu mildern.
-
Durch die Vielzahl der schwingungserregenden Einflüsse ist es notwendig,
wie bereits eingangs erwähnt, die Bestandteile der Erregerfunktion zu erfassen.
Dieses ist nur möglich bei einer für den Schwingungsvorgang sich ergebenden linearen
Differentialgleichung, die ihrerseits nur bei einer Dämpfungseinrichtung möglich
ist, welche eine Widerstandskraft für den Schwingungsausschlag liefert, die der
Geschwindigkeit proportional ist.
-
Erfindungsgemäß wird die geschwindigkeitsproportionale Dämpfung in
erster Linie dadurch erreicht, daß die Motorhohlwelle mit dem Torsionsstab über
mehrere Ringfederspannelementenpaare so verbunden ist, daß der Einfluß der Kerbwirkung
an der Verbindungsstelle zwischen dem Torsionsstab und der Motorhohlwelle derart
herabgesetzt ist, daß die erforderliche Durchmesservergrößerung des Torsionsstabes
an der Einspannstelle so gering ist, daß zwischen der Innenwand der Motorhohlwelle
und dem Schaft des Torsionsstabes ein ringförmiger Spalt mit geringer Spalthöhe
vorhanden ist, der zwischen seitlich angeordneten Rundschnurringen einen abgeschlossenen
Dämpfungsraum bildet, der, mit einem Dämpfungsmedium gefüllt, die für die geschwindigkeitsproportionale
Dämpfung erforderliche Widerstandskraft bei Relativverdrehung von Torsionsstab und
Motorhohlwelle hervorruft, wobei die erforderliche Dämpfermasse vom Läufer des Motors
und/ oder von einer Schwungmasse des Abtriebs gebildet wird.
-
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Dämpfungseinrichtung im Dämpfungsraum
zwischen Hohlwelle und Torsionsstab ein flüssiges oder gasförmiges
Dämpfungsmedium
enthält, welches sich über fast die gesamte Länge des schwingenden Torsionsstabes
erstreckt.
-
Durch die Relativbewegung von Torsionsstab und Hohlwelle entstehen
in der Flüssigkeit Schubspannun-en, die nach dem Ansatz von Newton abhängig sind,
von der Zähigkeit der Flüssigkeit, der Spalthöhe und dem Geschwindigkeitsgefälle
der Flüssigkeitsteilchen. Die Gleichung von Newton zeigt folgenden Aufbau:
C
Hierin bedeutet Schubspannung, Zähigkeitskoeffizient, v = Relativgeschwindigkeit,
y = Spalthöhe. Da die Schubspannung -c ein Maß für die Widerstandskraft
ist und da weiterhin diese Schubspannung gemäß der Gleichung von Newton proportional
dem Geschwindigkeitsgefälle ist, folgt daraus, daß eine Dämpfungseinrichtung, die
die vorgenannten Bedingungen erfüllt, als geschwindigkeitsproportionale Dämpfung
angesehen werden kann, wenn die Schubspannungen in einer ebenen Parallelströmung
laminaren Charakters auftreten, was erfindungsgemäß der Fall ist.
-
Für den Fall starker Dämpfung, mit zäher Flüssigkeit als Dämpfungsmedium,
können sogenannte Kriechbewegungen der Schwingung erzielt werden, d. h.,
der bei schwacher Dämpfung nach einer Exponentialkurve abklingende Schwingungsausschlag
einer freien Schwingung hat bei einer Kriechbewegung nur eine Richtungsumkehr, verläuft
also, graphisch gesehen, kriechend zur Zeitachse, wenn man in einem rechtwinkligen
Koordinatensystem auf der Ordinate den Schwingungsausschlag und auf der Abszisse
die Zeit aufträgt.
-
Mit einer solchen Einrichtung ist es möglich, das am Abtriebszapfen
auftretende Drehmoment schlagartig abzubremsen, wobei sich die kinetische Energie
der Läufennasse in potentielle Energie im Torsionsstab aufspeichert und über die
Dämpfungseinrichtun- ohne mehrmaliges Pendeln rasch abbaut. Dieser Vorteil C ist
besonders spürbar bei Elektromotoren, die für Reversierbetrieb eingesetzt werden
und jedesmal die kinetische Energie der Massen abbremsen und wieder beschleunigen
müssen. Der Torsionsstab hat hier die Aufgabe eines Energiespeichers. Die beim Gegenstrombremsen
in den sich drehenden Massen aufgespeicherte Energie wird im Torsionsstab in potentielle
Energie umgewandelt und beim Anlauf in entgegengesetzter Richtung für den Beschleunigungsvorgang
wieder in kinetische Energie umgesetzt. Bei guter Abstimmung der Torsionsstababmessungen
und derDämpfungseinrichtung(Kriechbewegung mit einer Umkehrspannung) können die
Motorabmessungen wesentlich kleiner gehalten werden. Der Energieverbrauch wird ebenfalls
herabgesetzt. Die besonders bei Kurzschlußläufermotoren entstehende Wänneanhäufung
im Läufer (besonders bei Reversierbetrieb) wird unmittelbar auf das Dämpfungsmedium
übertragen. Das durch Temperaturanstieg sich ändernde Viskositätsverhalten des Dämpfungsmediums
muß bei der Auslegung berücksichtigt werden. Es wird deshalb ein Medium als Dämpferflüssigkeit
eingesetzt, welches im Temperatur-Viskositäts-Diagramm einen flachen Kurvenverlauf
zeigt, die Viskosität sich also bei Temperaturschwankungen nur geringfügig ändert.
Diese Bedingung wird sehr gut von einem Siliconöl hoher Viskosität erfüllt.
-
Einem anderen Erfindungsmerkmal zufolge kann in der Hohlwelle des
Läufers ein Torsionsstabpaar derart angeordnet werden, daß ein als Hohlwelle ausgebildeter
Torsionsstab mit dem bereits genannten Torsionsstab mit Vollquerschnitt so angeordnet
ist, daß sich zwei in Reihe geschaltete Federelemente ergeben, zwischen deren Ringspalte
Dämpfungsmedien angeordnet sind, die bei wechselndem Temperaturverhalten einen konstanten
Dämpfungsbetrag liefern. Dieses Verhalten wird in erster Linie dadurch erreicht,
daß zwischen dem Torsionsstab mit Vollquerschnitt und dem mit Hohlquerschnitt ein
flüssiges Medium, vorzugsweise Siliconöl, vorgesehen ist, welches bei steigender
Temperatur einen Viskositätsabfall zeigt. Zwischen dem Torsionsstab mit Hohlquerschnitt
und der Hohlwelle des Elektromotors wird ein gasförmiges Medium, vorzugsweise Stickstoff
oder Luft, eingesetzt, welches bei steigender Temperatur eine Viskositätszunahme
zeigt. Durch Änderung des Druckes gasförrniger Medien kann darüber hinaus das Viskositätsverhalten
geändert werden, d. h., bei steigendem Druck steigt die Viskosität gasföriniger
Medien. Diese Kombination kann wahlweise vertauscht werden, so daß sich aus ihr
eine große Anzahl von Variationsmöglichkeiten ergibt. Durch die in Reihe geschalteten
Torsionsstäbe besteht weiterhin die Möglichkeit einer guten Anpassung an das geforderte
Betriebsverhalten. Der große Federweg begünstigt vor allen Dingen die oft gewünschte
Kriechbewegung, wenn die Dämpfungseinrichtung mit geringem Federweg diese Bedingung
nicht erfüllen kann.
-
Weiterhin kann die Motorhohlwelle an ihrer Innenseite beispielsweise
über ihre ganze oder teilweise Länge mit in Längsrichtung verlaufenden Keilnuten
versehen werden, in welche ein Kopfteil des Torsionsstabes mittels Keilen eingreift,
derart, daß die Antriebskräfte des Elektromotors von der Hohlwelle über den Torsionsstab
auf das Planetengetriebe übertragen werden. Dieser Kopfteil ist unverdrehbar, jedoch
längsverschiebbar angeordnet, so daß die Einspannstelle und somit das drehelastische
Verhalten stufenlos geändert werden kann. Außerdem kann der Dämpfungsraum in eine
linke und rechte Kammer unterteilt werden, wobei der Schwingungsknoten sich zweckmäßig
über den mittleren, nicht abgedämpften Teil erstreckt, so daß im Bereich der größeren
Schwingungsausschläge der Einsatz der Dämpfungsmedien voll zur Geltung kommt. Bei
dieser Anordnung ist es auch möglich, die beiden Kammern mit zwei verschiedenen
Medien oder gleichen Medien verschiedener Viskosität zu füllen. Die Anordung ist
für Antriebsfälle gedacht, die eine genaue Auslegung nicht möglich machen und ein
Korrigieren bei Betriebsverhalten erfordern.
-
Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt F i g. 1 in ausführlicher
Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Getriebemotors nach
der Erfindung,
F i g. 2 ebenfalls im Schnitt den Nabenteil
eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung, während F i g. 3
den Nabenteil eines weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels im Längsschnitt
wiedergibt.
-
Der Elektromotor 1 gemäß F i g. 1 weist einen Läufer
2 auf, der in einem Gehäuse 3 untergebracht ist. Die Wellenlager 4 sitzen
in den lösbar am Gehäusemittelstück 5 befestigten Lagerschilden
6. Die Welle 7 des Läufers 2 ist als Hohlwelle ausgebildet. Innerhalb
der Hohlwelle 7 ist ein Torsionsstab 9 angeordnet, der an seinem einen
Ende 10 undrehbar an einem Kupplungskopf 8 angreift, der durch Keihmten
mit der Hohlwelle 7 im Eingriff steht und gegenüber dieser in Längsrichtung
verschiebbar ist. Am anderen Ende 11 des Torsionsstabes 9 ist ein
Ritzel 12 vorgesehen, das mit Planetenrädem 13, 14 eines Planetengetriebes
im Eingriff steht, welches in einem Gehäuse 1.5 angeordnet ist, das zum Teil
durch den einen Lagerschild 6 des Motors 1 gebildet wird. Die beiden
Planetenräder 13 und 14 stehen mit einer Innenverzahnung 16 des Getriebegehäuses
15 im Eingriff, während der diese Planetenräder 13,
14 tragende Umlaufkörper
17 über Lager im Getriebegehäuse 15 drehbar gehalten ist, so daß ein
Drelizapfen 19 des Umlaufkörpers 17 aus dem Getriebegehäuse
15 als Abtriebsbauteil hervorragt.
-
Der F i g. 1 ist zu entnehmen, daß der Kupplungskopf
8 mit dem Torsionsstab 9 durch Ringfederspannelemente 20, 21 verbunden
ist, welche durch einen Spannring 22 in Axialrichtung unter Druck gesetzt und dabei
in Radialrichtung gegeneinander verspannt werden. Ein weiterer Spannring
23, welcher in der Hohlwelle 7 durch Gewinde verstellbar gehalten
ist, wirkt auf Federspannelemente 24 ein, welche zwischen Hohlwelle 7 und
Kupplungskopf 8
sitzen und die diese Bauteile beim Anziehen des Spannringes
23 gegen Relativbewegungen zueinander sichern. Durch Lösen der Spannringe
22 und 23 werden die Ringfederspannelemente 20, 21, 24 entspannt, wodurch
es ermöglicht wird, den Kupplungskopf 8 mit seinem Keilnutenansatz in der
Hohlwelle 7 zu verschieben und damit die wirksame Länge des Torsionsstabes
zwecks Veränderung des Feder- und Dämpfungsverhaltens zu verändern. Nach dem Verschieben
des Kupplungskopfes 8 werden die Spannringe 22 und 23 wieder angezogen,
so daß durch die Ringfederspannelemente 20, 21 und 24 die Kupplungsverbindung zwischen
Torsionsstab 9
und Hohlwelle 7 wiederhergestellt wird. Zwischen zwei
Grenzstellungen ist dadurch die wirksame Länge des Torsionsstabes 9 stufenlos
veränderlich.
-
Der Außendurchmesser des Torsionsstabes ist auf den Innendurchmesser
der Hohlwelle 7 und auf den Innendurchmesser des Kupplungskopfes
8 so abgestimmt, daß zwsichen Hohlwelle 7 und Torsionsstab
9 ein Ringspalt 25 und zwischen Kupplungskopf 8 und Torsionsstab
9 ein Ringspalt 26 aufrechterhalten wird. Der Ringspalt
25 liegt dabei nahe dem mit dem Ritzel 12 versehenen Ende 11 des Torsionsstabes,
während der Ringspalt 26 mit Abstand von diesem Ende 11 des Torsionsstabes
vorgesehen und zusammen mit dem Kupplungskopf 8 in Längsrichtung des Torsionsstabes
9 verschiebbar ist. Die Ringspalten 25 und 26 sind an ihren
Enden in bekannter Weise, beispielsweise durch Stopfbuchsen 27, druck-,dicht
und druckfest abgeschlossen und bilden Dämpfungskammern, in welchen ein flüssiges
oder gasförmiges Dämpfungsmedium enthalten ist. Wenn als Dämpfungsmedium ein Gas,
beispielsweise Stickstoff-oder Luft, Verwendung findet, dann wird dieses in den
die Dämpfungskammer bildenden Ringspalt, beispielsweise in den Ringspalt
25, durch ein Rückschlagventil 28 unter Druck eingefüllt.
-
Flüssiges Dämpfungsmedium, vorzugsweise Siliconöl, wird in den als
Dämpfungskammer ausgebildeten Ringspalt, beispielsweise den Ringspalt
26,
durch verschließbare Einzelöffnungen 28 a eingebracht. Durch geringe
Änderungen der Spaltstärke und Spaltlänge der Dämpfungskammern 25 und
26
sowie der kinematischen Zähigkeit des Mediums läßt sich das Dämpfungsverhalten
in einfacher Weise den verschiedensten Verhältnissen anpassen.
-
Die Dämpfungseinheit gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von
derjenigen gemäß F i g. 1 im wesentlichen dadurch, daß der Torsionsstab
9 an seinem Ende 10 unmittelbar mit der Hohlwelle 7
gekuppelt
ist. Die undrehbare Kupplungsverbindung wird dabei gemäß F i g. 2 durch Ringfederspannelemente
20, 21 mittels einer Spannschraube 22 hergestellt. Die wirksame Länge des Torsionsstabes
9 ist daher nicht veränderlich. Ein weiterer Unterschied gegenüber der Ausführungsform
nach F i g. 1 besteht darin, daß der Ringspalt 30 zwischen Hohlwelle
1
und Torsionsstab 9 sich ununterbrochen fast über die ganze Länge
der Hohlwelle hinweg erstreckt. Als Dämpfungsmedium ist in dem als Dämpfungskammer
wirkenden engen Ringspalt 30 ein Gas oder eine Flüssigkeit enthalten. Die
Abdichtung des Ringspaltes nach außen geschieht durch Rundschnurringe
31. Zum Einfüllen des Dämpfungsmediums in den Ringspalt 30 weist die
Hohlwelle 7 Rückschlagventile oder Einfüllöffnungen 28 a auf.
-
Eine andere Weiterbildung der Erfindung ist in F i g. 3 gezeigt.
Dabei ist koaxial zum Torsionsstab 9
ein diesen umgebender weiterer hohler
Torsionsstab 32 vorgesehen, der am Ende 10 mit dem Torsionsstab
9 durch die Spannschraube 22 und die Ringfederspannelemente 20, 21 drehfest
gekuppelt ist. Dadurch wird ein in Reihe geschaltetes Federpaar gebildet, welches
nahe dem das Ritzel 12 tragenden Ende 11 des Torsionsstabes 9 über
den Torsionsstab 32 mit der Hohlwelle 7 gekuppelt ist. Die Kupplungsverbindung
zwischen Torsionsstab 32 und Hohlwelle 7 wird dabei mittels Ringfederspannelementen
33 und 34 sowie einer Gewindehülse 35 hergestellt. Zwischen Torsionsstab
9 und Torsionsstab 32 wird ein enger Ringspalt 36 gebildet,
während sich zwischen Torsionsstab 32 und Hohlwelle 7 ein weiterer
enger Ringspalt 37 befindet. Diese Ringspalte bilden Dämpfungskammern, in
welchen Dämpfungsmedien, beispielsweise Gas oder Flüssigkeit, enthalten sind. Die
Dämpfungskammer 36 ist dabei an beiden Enden durch je einen Rundschnurring
31 nach außen abgedichtet.
-
Es ist möglich, beide Dämpfungskammern mit gleichen Medien verschiedener
Viskosität zu füllen oder in einer Dichtungskammer ein flüssiges Dämpfungsmedium
und in der anderen ein gasfönniges Medium vorzusehen. Das Dämpfungsverhalten der
Dämpfungseinheit kann ohne Veränderung der Ab-
messungen der Dämpfungseinheit
geändert werden, indem die in den Ringspalten befindlichen Dämpfungsmedien ausgetauscht
werden. Das Einfüllen der Dämpfungsmedien kann ebenso wie bei den übrigen
Ausführungsformen
durch Rückschlagventile oder Einfüllöffnungen erfolgen. Zur Lagerung des Torsionsstabes32
in der Hohlwelle7 ist an dem dem Abtrieb 12 abgewandten Ende der Hohlwelle ein Nadellager
42 od. dgl. vorgesehen.