DE2603688A1

DE2603688A1 - Anordnung zum schwingungsausgleich

Info

Publication number: DE2603688A1
Application number: DE19762603688
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Phys Frosch; Walter Mannsdoerfer; Claus Ing Grad Scheuing
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1976-01-31
Filing date: 1976-01-31
Publication date: 1977-08-11
Also published as: JPS5294987A; DE2603688B2; US4101008A; DE2603688C3

Description

Böblingen, den 28. Januar 1976 wi-fe

Anmelderin: IBM Deutschland GmbH

Pascalstraße 100 7 Stuttgart 80

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: GE 975 040

!Anordnung zum Schwingungsausgleich

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schwingungsausgleich der Massenkräfte eines mittels eines Antriebes bewegten, schwingenden Feder-Masse-Haupt-Systems mit Hilfe eines Feder-Masse- ;Hilf s-Systems.

jIn zahlreichen Maschinen, Geräten und Vorrichtungen mit schwinigenden Massen sind Maßnahmen erforderlich, um die übertragung !der Schwingungen auf andere Teile der Maschine zu verhindern, ;zumindest aber in möglichst engen Grenzen zu halten. Bei periodischen Schwingungen kann man durch entsprechende Auslegung der Fe-,der-Massesysteme mit möglichst weit voneinander entfernten Resonanzfrequenzen zwar verhindern, daß schwingungsfähige Massen oder Massensysteme mit der Eigenfrequenz der schwingenden Masse in Resonanz kommen, doch läßt sich auf diese Weise ein unerwünschtes Mitschwingen anderer Bauteile oder Baugruppen nicht verhindern; diese Methode ist außerdem bei Systemen mit nicht konstanten Resonanzfrequenzen wirkungslos.

Sehr verbreitet sind Maßnahmen zur Dämpfung von Schwingungen. Häufig ist aber eine Dämpfung eines schwingenden Gebildes nur sehr schwer erreichbar, oder sie ist überhaupt unerwünscht, wenn nämlich dadurch die Funktion des schwingenden Körpers beeinträchtigt werden würde. Man hat daher vielfach Maßnahmen getroffen, die darauf abzielen, die übertragung von Schwingungen zwischen mecha-

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nisch miteinander gekoppelten Bauteilen zu dämpfen, etwa durch Zwi4 schensehaltung von elastischen Elementen. Hierbei werden aber die j Störkräfte, z.B. Stoß- oder Rüttelbewegungen eines benachbarten ; Maschinenteils, meist im wesentlichen nur in ihrer Charakteristik : verändert, ohne daß der übertragene Energiebetrag nennenswert ver-J ringert werden kann.

Als wirksamstes Verfahren zur Verhinderung unerwünschter über- _;

i tragung von Schwingungskräften bewegter Massen hat sich die j Schwingungstilgung erwiesen, auch als dynamische Absorption be- ; zeichnet, bei der durch zusätzliche schwingungsfähige Massen j

mindestens eine teilweise Vernichtung der auf die angrenzenden ί Maschinenteile übertragenen Kräfte erzielt wird, prinzipiell j aber auch eine vollständige Schwingungstilgung erreichbar ist.
Die überwiegende Zahl der bekannten Anordnungen zur Schwingungs-

tilgung betrifft freischwingende Gebilde, deren Schwingungen al- j lein von der Dimension des Schwingungsgebildes abhängig sind,
wie z.B. Freileitungen, zu deren Schwingungsteilung in der Offen-Iegungsschrift 20 56 164 eine Anordnung beschrieben ist. Es
sind aber auch Schwingungstilger für erzwungene Schwingungen,
also mittels eines durch eine fremde - periodische oder aperiodische - Antriebskraft bewegte schwingungsfähige Massen bekannt.
Eine der bedeutsamsten Lösungen auf diesem Gebiet ist das sogenannte Taylor-Pendel, das zur Tilgung erzwungener Drehschwingungen an Motoren über den ganzen Drehzahlbereich wirksam ist. Hier
handelt es sich um ein rotierendes System mit einem exzentrisch angekoppelten Pliehkraftpendel, wobei eine Ablenkung der
Erregerwirkung vom eigentlichen schwingenden System auf das angekoppelte Pendel stattfindet. Die Nachteile dieser Lösung sind
aber, daß eine zusätzliche schwingende Masse erforderlich ist
und sich das Pendel nur für rotierende Massensysteme einsetzen
läßt.

Es ist aber auch ein Schwingungstilger bekannt, der für linear
schwingende Peder-Masse -Systeme Verwendung findet. Bei diesem
sogenannten Frahm-Tilger (Den Hartog, Mechanische Schwingungen,

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Mc Graw Hills 1934, Seite 104) wird ein im Verhältnis zu dem schwingenden Maschinenteil kleines Schwingungssystem an das Hauptsystem angekoppelt, dessen Eigenfrequenz /c/m so gewählt ist, daß sie der Frequenz der schwingenden Kraft bzw. der Erregerkraft gleich ist. Auch diese Anordnung benötigt aber eine zusätzliche Schwingmasse, und sie hat darüberhinaus den Nachteil, daß eine Tilgung der Schwingungen nur in den Fällen erreichbar ist, wo die Frequenz der Erregerkraft im wesentlichen konstant ist. Ihr Einsatz ist daher auf Geräte beschränkt, die unmittelbar mit elektrischen Synchronmotoren oder Synchrongeneratoren gekoppelt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der bei hohem Wirkungsgrad eine vollständige Tilgung der Massenkräfte eines schwingenden Systems erreichbar ist, ohne daß in jedem Fall eine Zusatzmasse erforderlich ist. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß bei einer Anordnung der oben beschriebenen Ausführung der Antrieb selbst als Feder-Masse-Hilfs-System ausgebildet ist, welches in der Fortsetzung der Bewegungsbahn des Feder-Masse-Haupt-Systems derart geführt ist, daß es mit gleicher Frequenz ;wie das Feder-Masse-Haupt-System, jedoch gegenphasig, schwingt.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, ;daß sowohl bei linear schwingenden Systemen als auch bei er- :zwungenen Drehschwingungen eine vollständige Tilgung der auf-.tretenden Schwingungen erreicht werden kann, unabhängig davon, mit welcher Frequenz das schwingende Gebilde erregt wird. Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ist jeweils dort gegeben, wo der schwingende Körper und der Antrieb annähernd gleiche Masse aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein durch einen stationären elektromagne-

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tischen Antrieb betriebenes Schwingungssystem ohne Schwingungstilgung, in prinzipieller Darstell ung;

Pig. 2 zeigt ein oszillierendes Schwingungssystem mit

Schwingungstilgung nach der Erfindung, in prinzipieller Darstellung;

Fig. 3 zeigt in schaubildlicher Darstellung eine kon

struktiv ausgeführte Anordnung des in Fig. 2 veranschaulichten Prinzips am Beispiel eines als Mikroskopobjektiv-Oszillator ausgebildeten Meßgerätes.

Gem. Fig. 1 ist in einem Maschinenrahmen 10 ein Körper 10 von bestimmter Masse durch Rollen 14 in den durch den Doppelpfeil 16 dargestellten Richtungen bewegbar geführt. Der Körper 12 ist mittels einer Feder 18 am Punkt 20 des Maschinenrahmens 10 befestigt. Am entgegengesetzten Ende des Körpers 12 ist ein als Permanentmagnet ausgebildetes Ankerstück 22 befestigt, das mit einem elektromagnetischen Antrieb zusammenwirkt, bestehend aus einer im Maschinenrahmen 10 an den Punkten 28a, 28b befestigten Spule 26 mit einem Joch 24.

Wird die Spule 26 periodisch erregt, so führt der Körper 12 eine Hin- und Herbewegung entsprechender Frequenzen aus, wobei über die Punkte 20 sowie 28a und 28b Schwingungsenergie auf den Maschinenrahmen 10 übertragen wird, mit der Folge, daß durch diese Störkräfte das gesamte System in Unruhe gerät. Dadurch können sowohl die von dem dargestellten Körper 12 ausgeübten Funktionen als auch der Funktionsablauf benachbarter, gleichfalls im Maschinenrahmen 10 gelagerter Baugruppen beeinträchtigt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist der im Maschinenrahmen 30 geführte Körper 32 in der gleichen Weise wie in der Darstellung nach Fig. 1 durch Rollen 34 in den durch den Doppel-

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pfeil 36 dargestellten Richtungen bewegbar geführt und mittels einer Feder 38 am Punkt 40 des Maschinenrahmens 30 befestigt. Desgleichen ist am entgegengesetzten Ende des Körpers 32 ein als Permanentmagnet ausgebildetes Ankerstück 42 befestigt.

Der dem Ankerstück 42 zugeordnete elektromagnetische Antrieb, bestehend aus der Spule 46 mit dem Joch 44, ist nicht, wie in dem Beispiel nach Fig. 1, starr im Maschinenrahmen 30 gelagert, sondern in einem Antriebsrahmeη 48 untergebracht, der ebenso wie der Körper 32 auf Rollen 50 geführt und mittels einer Feder am Punkt 54 des Maschinenrahmens 30 angekoppelt ist.

Für die Dimensionierung der Elemente des in Fig. 3 dargestellten Systems ist zu beachten, daß die Federn 38 und 52 die gleiche Federcharakteristik aufweisen und daß die beiden bewegten Massen gleich sind, nämlich einerseits die durch den Körper 32 und das Ankerstück 42 gebildete erste (angetriebene) Masse M₁ + M , und

IC el

andererseits die durch die Spule 46, das Joch 44 und den Antriebsrahmen 48 gebildete (antreibende) Masse M . Um zwischen der Masse M, und ML und der Masse K Gleichheit herzustellen, sind am Antriebsrahmen zwei Zusatzmassen M angebracht, so daß bezüglich der Massen gilt: M, + M„ = M„ + 2M_. Ist die Summe der Massen

λ el J/ Z

M. und ML des Körpers 32 und des Ankerstücks 42 größer als die

iv et

Masse M des Antriebs 44, 46 und 48, so kann grundsätzlich auch, sofern konstruktiv möglich, die Summe der Massen M, und M ent-

xC CL

sprechend verringert werden. Eine dritte Voraussetzung für die Rückwirkungsfreiheit der Oszillationsbewegungen des dargestellten Systems ist, daß sich die beiden Schwingungsmassen mit ihren Massenschwerpunkten auf einer einzigen linearen Bahn bewegen.

Wird bei der Anordnung nach Fig. 2 durch periodische Erregung der Spule 46 der Antrieb eingeschaltet, so schwingen beide Massen, nämlich der Körper 32 mit dem Ankerstück 42 einerseits und das Joch 44, die Spule 46 und der Antriebsrahmen 48 andererseits, stets gegenläufig, und zwar mit gleicher Amplitude, da ihre Massen einander gleich sind. Die über die Punkte 40 und 54 auf den

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Maschinenrahmen 30 übertragenen Kräfte sind daher stets betragsgleich und einander entgegengerichtet. Wenn der Maschinenrahmen 30 zwischen den Punkten 40 und 54 hinreichend steif ist, bleibt er somit vollständig in Ruhe und überträgt keine Schwingungen nach außen.

Die in Fig. 2 für eine lineare Oszillationsbewegung mit vollständiger Schwingungstilgung dargestellte Anordnung kann in entsprechender Weise auch für eine oszillierende Rotationsbewegung eines Körpers ausgestaltet werden, indem nicht nur der angetriebene, sondern auch der antreibende Körper als schwingungsfähiges Gebil·· de gelagert wird. Voraussetzung für eine vollständige Schwingungstilgung ist hier gleichfalls Identität der Federelemente und der Trägheitsmomente. Damit auch die Summe der auf die Achse bzw. Welle ausgeübten dynamischen Kräfte stets gleich Null ist, muß dabei darüberhinaus beachtet werden, daß jede der Drehmassen bezüglich der Drehachse für sich statisch und dynamisch ausgewuchtet ist.

In dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 3 ist das in Fig. 2 veran- j

schaulichte Prinzip verwirklicht. Bei dem als Mikroskopobjektiv- ; oszillator ausgebildeten Meßgerät muß ein Linsensystem längs seiner optischen Achse mit hoher Frequenz linear auf- und abbewegt werden. Hierzu ist in einem Gehäuse 60, das mittels eines Flan- j sches 62 an der Unterseite einer (nicht dargestellten) Meßein- j richtung befestigt ist, mit Hilfe von Membranfedern 64 und 66 j ein Jochträger 68 geführt, an dessen Oberseite sich ein Joch 70 mit einem Permanentmagneten 71 befindet. In den Jochträger 68 | ist von unten ein Objektivträgerring 72 eingeschraubt, in welchem Linsen 74 und 76 geführt sind. Der Jochträger 68 und der Objektivträgerring 72 sind infolge der federnden Lagerung in der durch \ den Strahlengang 78 definierten optischen Achse der Linsen 74 und ; 76 beweglich gelagert. j

Im oberen Teil des Gehäuses 60 ist ein Spulenträger 80 mittels Membranfedern 82 und 84 gelagert, und am unteren Ende des Spulenträgers 80 befindet sich ein Spulenring 86 mit einer Spule 88, GE 975 040

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die über eine Leitung 90 an einen Wechselstromgenerator angeschlossen ist.

Pur eine vollständige Schwingungstilgung beim Betrieb der dargestellten Anordnung sind die Membranfedern 64 und 66 sowie 82 und 84 gleich ausgeführt, und die mittels der Membranfedern einzeln axial beweglich gelagerten Körper, nämlich der Jochträger 68 mit dem Joch 70, dem Permanentmagneten Tl₃ dem Objektivträgerring 72 ι und den Linsen 74 und 76 einerseits und der Spulenträger 80 mit dem Spulenring 86 und der Spule 88 andererseits weisen die gleiche Masse auf.

Bei der Inbetriebnahme der in Fig. 3 dargestellten Anordnung beginnen die beiden an sich unabhängig voneinander gelagerten Massensysteme unter der Wirkung des elektrischen Feldes zwischen Spule 88 und Permanentmagnet 71 zu schwingen, und zwar jeweils mit gleicher Frequenz und gegenphasig. Dabei wird über die Membranfedern Schwingungsenergie auf das Gehäuse 60 übertragen, jedoch sind die von beiden Massen herrührenden Kräfte jeweils betragsgleich und einander entgegengerichtet. Das Gehäuse 60 bleibt daher vollständig in Ruhe, so daß zu dem angeschlossenen Meßgerät oder anderen benachbarten Geräteteilen keine Störkräfte gelangen.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. ] Anordnung zum Schwingungsausgleich der Massenkräfte eines *■— mittels eines Antriebes bewegten, schwingenden Feder-Masse-Haupt-Systems mit Hilfe eines Feder-Masse-Hilfs-Systems,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Antrieb selbst als Feder-Masse-Hilfs-System (44-52; 80, 86, 88) ausgebildet ist, welches in der Portsetzung der Bewegungsbahn des Feder-Masse-Haupt-Systems (32, 34, 38; '68-76) derart geführt ist, daß es mit gleicher Frequenz wie das Feder-Masse-Haupt-System, jedoch gegenphasig schwingt.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Masse und die Federkonstante des Hilfs-Systems gleich der Masse und der Federkonstante des Haupt-Systems sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Haupt-System oder das Hilfs-System zur Herstellung der Übereinstimmung der Massen mit einer Zusatzmasse (M ) oder einer Mehrzahl Zusatzmassen versehen ist.

Ci

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet,

daß der Antrieb als Elektromagnet (42-46 ; 70, 71, 88) ausgebildet ist und die beiden Systeme durch das magnetische Feld des Elektromagneten miteinander gekoppelt sind.

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