DE2608236A1

DE2608236A1 - Prellfreie massenanordnung

Info

Publication number: DE2608236A1
Application number: DE19762608236
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl Ing Dr Tech Reiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-19
Filing date: 1976-02-28
Publication date: 1976-10-14
Also published as: GB1529032A; ATA209075A; JPS51136178A; BR7601639A; NL7602586A; BE839699A; AT337818B; US4053729A; FR2304832A1

Description

Dipl.Phys. Leo THUL «.vvv^vnt

Stuttgart

L.Reiter-1

Dipl.-Ing. Dr.teehn. Lothar Reiter, Johann-Strauss-Gasse

A-1040 Wien

Prellfreie Massenanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine prellfreie Massenanordnung·, vorteilhaft auf eine prellfreie Anordnung von Kontakten in elektrischen Stromkreisen, insbesondere von elektrischen Schaltern und mechanischen Stromunterbrechern jeglicher Art.

Das Prellen von mechanischen Bauteilen beeinträchtigt unter Umständen die Punktion oder die Lebensdauer einer mechanischen Anordnung. Besondere Probleme ergeben sich beim Prellen von elektromechanischen Kontakten. Zur Verminderung der Kontaktprellungen sind verschiedene Methoden bekannt, die entweder sehr aufwendig sind oder nur zu einer Verkürzung der Prellzeit führen. Bei vollständiger Unterdrückung wird meist die Betriebssicherheit und die Lebensdauer des Kontaktes beeinträchtigt. So wird in der DT-PS 1 803 ²JOl die kinetische Energie der Kontaktzunpen durch Reibung zwischen Kontaktzunge und Dämpfungsfeder aufgezehrt. Auch hier bleibt das Problem bestehen, daß eine Erhöhung der Anpreß- bzw. Reibungskraft die Prellzeit verkürzt, jedoch der erhöhte Metallabrieb die Lebensdauer reduziert.

21.2-1976, G/Ku

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Gute Ergebnisse brachte die Methode der Ableitung der kinetischen Energie durch Stoß an eine mechanische Stoßkette. In der DT-PS 887 970 und DT-PS 8Ί7 46l besteht die Stoßkette aus gleich großen oder sogar größer werdenden Massen. Damit wird die Kontaktanordnung sehr groß, schwer und letztlich auch kompliziert, so daß sie nur für ruhende Kontakte mit Unterlage geeignet ist.

Aus diesem Grund ist diese Anordnung auch für den heutigen Trend zur Miniaturisierung und Vereinfachung nicht geeignet. Die innere Reibung von metallischen Stoßkörpern ist gering, so daß zur ausreichenden Dämpfung der Stoßwelle lange Stoßketten nötig sind.

Die erfindungsgemäße prellfreie Massenanordnung vermeidet diese Nachteile und eignet sich für die Entfernung der kinetischen Energie von prell- und vibrationsgefährdeten mechanischen Teilen jeglicher Art unabhängig von Größe und Form, insbesondere von Kontakten.

Die erfindunpsgemäße Massenanordnung zur Vermeidung von Prellungen und Vibrationen von prellgefährdeten mechanischen Teilen, wobei die kinetskche Energie zweier Stoßpartnermassen an zusätzliche, benachbarte, in Stoßrichtunp dämpfend gelagerte Massen durch Stoß abgegeben wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung von den zwei primären Stoßpartnermassen weg, die Masse der folgenden Masse oder Massen abnimmt und in der selben Richtung die Elastizität und außerdem der Energieverlustfaktor und/oder die Beweglichkeit der dann zusätzlich zu dämpfenden Massen zunehmen.

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Durch die kleiner werdenden zusätzlichen Massen wird eine kleinere und leichtere Konstruktion ermöglicht, so daß neben ruhenden mechanischen Teilen vor allem auch bewegte Teile, insbesondere die von Kontakten, prellfrei ausgeführt werden können. Durch das mit der Entfernung von den primären Stoßmassen abnehmende Verhältnis von Masse zu Elastizität wird eine Geschwindigkeitserhöhung erreicht, die eine wirksame Energieumsetzung in bekannten, elastischen Stoffen mit hohem Energieverlustfaktor ermöglicht; damit vereinfacht sich die prellfreie Anordnung, was sich auf eine höhere Betriebssicherheit und Lebensdauer auswirkt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß für zumindest eine der primären Stoßpartnermassen und für jede folgende Masse das Produkt aus Masse mal Elastizität annähernd konstant ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß für zumindest eine der primären Stoßpartnermassen und für jede folgende Masse gilt, daß die folgende Masse zwei Drittel bis ein Zehntel der vorangehenden Masse beträgt.

Durch diese bevorzugten Ausführungsformen wird eine vollständigere Abgabe der kinetischen Energie einer Masse an die folgende kleinere energieübernehmende Masse erreicht .

Eine bevorzugte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegungsdämpfende Anordnung die folgende,

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energieübernehmende Masse oder Massen trägt und/oder abbremst.

Dadurch wird es ermöglicht, mit einer einzigen, folgenden Masse auszukommen, die außerdem soweit abgebremst wird, daß sie bei Rückkehr auf die primäre Stoßpartnermasse, diese nicht mehr zum Prellen anregen kann. Ein einfaches Ausführungsbeispiel zeigt in der Zeichnung die Fig. 5.

Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der primären Stoßpartnermassen und ihre folgenden Massen und Elastizitäten oder nur die folgendenMassen und Elastizitäten,den Massenbelag und Elastizitätsbelag einer kinetischen Leitung annähern, wobei in Richtung von der primären Stoßpartnermasse weg, der Massenbelag abnimmt, jedoch der Elastizitätsbelag und der Dämpfungsfaktor zunehmen.

Durch die mit der Entfernung von der primären Stoßpartnermasse kleiner werdende mechanische Impedanz nimmt die Geschwindigkeit der folgenden kleiner werdenden Massen zu, wodurch eine wirksame Dämpfung durch Verwendung von bekannten, elastischen, vorzugsweise nichtmetallischen, Werkstoffen ermöglicht wird.

Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Massenbelag mal Elastizitätsbelag der kinetischen Leitung annähernd konstant bleibt.

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Dies bewirkt eine vollständigere Ableitung der kinetischen Energie von der prellgefährdeten Stoßpartnermasse.

Eine weitere AusfUhrungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Massen und Elastizitäten in Schichten hergestellt sind und in Form eines Belages auf eine prellgefährdete Masse fest aufgebracht ist oder beweglich aufliegt.

Dadurch wird die Herstellung von prellarraen mechanischen Teilen, aber auch die nachträgliche Anbringung von solchen prellmindernden Belägen ermöglicht und erleichtert. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, flächenhafte mechanische Teile vor dem Prellen zu schützen. Bei fixer Aufbringung dieses Belages ist eine lange Lebensdauer und hohe Betriebssicherheit dieser prellmindernden Anordnung gewährleistet.

In der folgenden Zeichnung wird die Erfindung anhand einiger prinzipieller Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1 zeigt im Prinzip eine prellgefährdete Masse M, die sog. primäre Stoßpartnermasse. Diese wird von einer erfindungsgemäßen folgenden Masse m und der Elastizität e berührend begleitet, so daß v_m = v^ = ν ist. Unter bestimmten Voraussetzungen wird bei der Reflexion an der angenommen festen bzw. unendlich großen Gegenmasse MG die kinetische Energie Mv_M ²/2 der Masse M vollständig an die kleine folgende Masse m abgegeben, die

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danach die Masse M in entgegengesetzter Richtung mit der Geschwindigkeit ν ■ ■ ■ bzw. mit der kinetischen

2 2

Energie mv /2 * Mv„/2 verläßt, während die prellgefährdete Masse M mit ihrer Elastizität E energielos auf der Gegenmasse MG liegen bleibt. Die Voraussetzung für eine vollständige Energieübergäbe sind richtige Verhältnisse der an der Reflexion beteiligten Massen und Elastizitäten. Während sich das Verhältnis m/M als relativ unkritisch erweist (besonders günstige Werte liegen zwischen τ> Μ^^ττγ)» ^lst ^es vorteilhaft, das Produkt aus Masse M mal Elastizität E (zwischen Masse M und Gegenmasse MG) annähernd gleich dem Produkt aus Masse m mal Elastizität e (zwischen Masse m und Masse M) zu wählen, d.h. die Eigenfrequenzen die durch das Produkt aus Masse mal Elastizität für M und E bzw. m und e gegeben sind, soll annähernd gleich sein.Bei ei- ner eventuellen Rückkehr der Zusatzmasse m muß die Haftfähigkeit der Masse M an der Gegenmasse MG so groß sein bzw. muß dijf rückkehrende Zusatzmasse m so weit an Energie d.h. an Geschwindigkeit verloren haben, daß sie die Masse M zum Abheben von der Gegenmasse MG nicht mehr anregen kann.

E"ig. 2 zeigt dieselbe Anordnung wie in Fig. 1, jedoch bilden die zusätzlichen Massen eine mechanische Kettenstruktur von konzentrierten Massen- (nu, m_?> nw, usw.) und elastischen Elementen (e.., e~, e usw.), die eine kinetische impedanztransformierende Laufzeitkette darstellt. Die kinetische Energie der Masse M wird bei Reflexion an der Gegenmasse MG, an die Jeweils folgenden Massen der Reihe nach in x-Richtung weitergegeben.

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Es bildet sich also eine Energiewelle W in x-Richtung aus, hinter der die Massen wieder zum Stillstand kommen. Durch die sich mit der Entfernung χ verkleinernde mechanische Impedanz, die vom Verhältnis Masse zu Elastizität abhängt, nimmt die Geschwindigkeit (Schnelle) der Massen mit der Entfernung χ zu, wodurch erst eine wirksame Dämpfung der Energiewelle, z.B. durch innere Reibungsverluste von bekannten elastischen Werkstoffen, ermöglicht wird, so daß die am Ende dieser Laufzeitkette reflektierte Energiewelle so weit abgeklungen ist, daß sie bei Rückkehr nach zweifacher Laufzeit die Masse M nicht mehr anregen kann. Dadurch kann die kinetische Laufzeitkette, zum Unterschied zur beweglichen Einzelmasse m (siehe Fig. 1), mit der Masse M über die Elastizität verbunden bleiben. Wichtig ist, daß alle Massen in Stoßrichtung angeordnet sind.

Ist auch die Gegenmasse, also der andere primäre Stoßpartner eine bewegliche Masse bzw. im Vergleich zur anderen Stoßpartnermasse nicht sehr viel größer, so muß auch diese Gegenmasse mit zusätzlichen Massen versehen werden. Die prellgefährdete Masse kann auch selbst Teil einer erfindungsgemäßen folgenden Masse sein. Diese Möglichkeit wird beispielsweise in Fig. 3 gezeigt.

Fig. 3 zeigt zwei Stoßpartner, wobei jeder aus einem verteilten, mit der Entfernung χ abnehmenden Massenbelag m¹ und einem zunehmenden Elastizitätsbelag e^f besteht und damit eine .kinetische Leitung darstellt. Die

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kinetische Leitung mit ihrem verteilten Massen- und Elastizitätsbelag wurde in Fig. 3 durch die Feder mit abnehmender Drahtstärke und Ganghöhe symbolisiert. Beim Stoßvorgang wird die kinetische Energie am Beginn der beiden Leitungen χ = O reflektiert und pflanzt sich als Energiewellen Vf in beiden Leitungen in x-Richtung fort. Ein Diagramm in Fig. 3 zeigt, daß der Maseenbelag m' mit der Entfernung χ von der Stoßstelle χ = O abnimmt, jedoch der Elastizitätsbelag e¹ zunimmt.

Dadurch transformiert sich mit zunehmender Entfernung χ die Energiewelle W von hohen Druckamplituden zu hohen Schnellen- (Geschwindigkeite-) Amplituden. Damit wird es wieder ermöglicht, in bekannten elastischen Werkstoffen mit hohen inneren Energieverlusten, die Energiewelle W genügend zu dämpfen.

Vorteilhaft wirkt sich eine annähernd konstante Fortpflanzungsgeschwindigkeit der kinetischen Leitung aus. Das ist der Fall, wenn das Produkt aus Massenbelag m' mal Elastizitätsbelag e¹ unabhängig von der Entfernung χ annähernd konstant ist.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Anwendung der erfindungsgemäßen prellfreien Massenanordnung für einen elektromechanischen Kontakt. Ein beweglicher Kontakt, bestehend aus der Kontaktmasse 1 und seiner Kontaktfeder 2₇ steht einem festen Gegenkontakt 3 gegenüber. Auf der Rückseite der Kontaktmasse 1 liegt in Stoßrichtung die zusätzliche Masse 4, die von der Feder 5 gehalten wird. Beide Federn 2 und 5 sind auf irgendeine bekannte Weise, z.B. wie die Fig. ¹J zeigt,

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am Gehäuse 6 befestigt. Schlägt die Kontaktmasse 1 beim Schließvorgang gegen den Gegenkontakt 3, so wird die kinetische Energie der Kontaktmasse 1 durch Reflexion am Gegenkontakt 3 an die Masse ¹J übertragen. Die bereits durch den Stoßverlust verminderte, der folgenden Masse 4 verbleibende kinetische Energie wird entweder auf eine bekannte Weise, z.B. durch Dämpfungsverluste, in der Feder 5 oder in ihrer Gehäusehalterung oder in einer anderen Befestigung oder durch einen bekannten Reibdämpfer oder vorzugsweise durch einen erfindungsgemäßen Belag 8 (siehe auch Fig. 7,8 und 9) abgeführt .

Fig. 5 zeigt in schematisierter Darstellung eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemäßen Massenanordnung mit vorteilhafter Dämpfung 7 für z.B. zwei bewegliche Kontakte. Zwei bewegliche Kontakte jeweils bestehend aus der Kontaktmasse 1 und der Kontaktfeder 2, die z.B. am Gehäuse befestigt sind, stehen einander gegenüber und werden von den Massen 4 unter Vorspannung durch die Verlängerung der Kontaktfeder berührt. Schlagen die Kontaktmassen 1 beim Schließen gegeneinander, so wird die kinetische Energie der Kontaktmassen 1 durch Reflexion während des Stoßvorganges an ihre zugeordneten Massen 4 übertragen, so daß diese die Kontaktmassen 1 für einen sehr kurzen Moment mit relativ hoher Geschwindigkeit verlassen. In den Dämpfungen 7, die auf der einen Seite an den Kontaktfedern 2"befestigt

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sind und an der anderen Seite die Massen 4 tragen, werden die Massen 4 so weit abgebremst, daß sie bei Rückkehr auf die Kontaktmassen 1 diese zum Prellen nicht mehr anregen können und auf diesen wieder ruhen bleiben.

Fig. 6 zeigt im Prinzip eine beispielsweise vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Methode für Schutzrohrkontakte. Zur Abbremsung bzw. zur Energieabfuhr der beweglichen Massen 4 werden diese von dämpfenden Trägern 7 getragen, die z.B. auf dem Kontakt 1 (siehe rechter Kontakt) oder am Gehäuse 6 (siehe linker Kontakt) befestigt werden.

Wichtig für die erfindungsgemäße Ausführung ist, daß die Masse 4 kleiner ist als die am Stoß beteiligte Teilmasse des Kontaktes 1 bzw. 3. Besonders vorteilhaft ist, daß für den am Stoß beteiligten Teil der Masse des Kontaktes 1 gilt, daß das Produkt aus Masse mal Elastizität dieser Teilmasse annähernd gleich ist dem Produkt aus Masse 4 mal Elastizität zwischen Masse 4 und Kontaktmasse 1 bzw. 3·

Fig. 7 zeigt prinzipiell einen elektromechanischen Kontakt der mit einer erfindungsgemäßen kinetischen Leitung versehen ist, die in Form eines Belages 8 auf der prellgefährdeten Kontaktmasse 1 aufgebracht ist. Die Kontaktmasse 1 kann auch selbst Teil dieser kinetischen Leitung sein. Einem beweglichen Kontakt,bestehend aus der Kontaktmasse 1 und der Kontaktfeder 2^ steht zur Vereinfachung ein fester Gegenkontakt 3 gegenüber. Auf der Rückseite der Kontaktmasse 1 ist in Stoßrichtung die erfindungsgemäße impedanztransformierende, dämpfende,

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kinetische Leitung 8,kurz als Prellbelag 8 bezeichnet, befestigt. Beim Aufschlag des beweglichen Kontaktes auf den Gegenkontakt 3 wird die kinetische Energie der beweglichen Kontaktmasse 1 durch Reflexion an den Anfang x=O der kinetischen Leitung (Prellbelages 8) abgegeben. Danach breitet sich in x-Richtung eine gedämpfte Stoßwelle durch den Prellbelag 8 aus. Nach zweifacher Laufzeit der Stoßwelle durch den Prellbelag 8 mit der Dicke (Leitungslänge) d kehrt die am Ende χ = d des Prellbelages 8 reflektierte Energiewelle an die Kontaktmasse 1 zurück und ist dann bereits so weit abgeklungen, daß die Kontaktmasse 1 zum Prellen nicht mehr angeregt wird.

Vorteilhaft für die erfindungemäße Ausführung ist, daß das Produkt aus Massenbelag m' und Elastizität e¹ für jeden Ort χ annähernd konstant ist. Hingegen muß das Verhältnis aus Massenbelag m¹ zu Elastizität e' mit der Entfernung χ abnehmen, um mit zunehmender Ent-, fernung χ eine Geschwindigkeitstransformation zu höheren Geschwindigkeiten zu erwirken und dadurch erst eine Dämpfung im Prellbelag 8 durch innere Reibungsverluste wirksam werden zu lassen. Somit muß der Massenbelag m¹ mit der Entfernung χ abnehmen und die Elastizität e¹ entsprechend dem konstanten Produkt zunehmen. Dies kann z.B. durch eine Querschnittsänderung des Prellbelages 8 erreicht werden, wie in Fig. 7 dargestellt ist, aber auch durch Änderung derWerkstoffeigenschaften (wie spezifisches Gewicht und Elastizität).

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Vorteilhaft ist weiter, daß das Verhältnis Masse zu Elastizität am Ende χ = d des Prellbelages 8 klein ist, d.h. das Ende des Prellbelages 8 muß gegenüber seinem Anfang χ = 0 ein relativ geringes Gewicht haben, aber relativ sehr elastisch sein und dabei einen großen Energieverlust besitzen. Das Gesamtgewicht ( J₀ m' (x)dx) des Prellbelages 8 muß jedoch möglichst klein sein, um einen möglichst geringen Beitrag zur gesamten Bewegungsenergie des beweglichen Kontaktes zu liefern.

Fig·. 8 zeigt eine beispielsweise Ausführung der Erfindung, bei der der Prellbelag vorteilhaft aus z.B. zwei Schwingelementen besteht, die in Schichten hergestellt sind. Wieder wurde ein Kontakt schematisch durch einen beweglichen Kontakt bestehend aus der Kontaktmasse 1 und der Kontaktfeder 2 und einem festen Gegenkontakt 3 gebildet. An die Rückseite der Kontaktmasse 1 schließen in der Reihenfolge an: ein wenig elastisches Federungselement 9, ein schweres Massenelement 10, ein sehr elastisches Federungselement und ein sehr leichtes Massenelement 12. Der Energieverlust ist im letzten Schwingelernent 11, 12 am größten. Die Beläge sind nicht auf die Kontaktzone begrenzt; sie können auch einen größeren Teil der Kontaktfeder oder die ganze Kontaktfeder bedecken. Ebenso kann auch nur ein Paar Beläge verwendet werden, d.h. nur ein Massenelement und nur ein Federungselement.

Fig. 9 zeigt eine beispielsweise Ausführung der Erfindung an einem Schutzrohrkontakt, wobei Kontakt 1 und Gegenkontakt 3 mit erfindungsgemäßen Prellbelägen

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versehen sind. Auch hier kann der Prellbelag 8 entweder aus kontinuierlich veränderbaren Werkstoffen oder Werkstoffeigenschaften (Gewicht, Elastizität und Verlust) oder aus ein oder mehreren diskreten Schwingelementen hergestellt sein.

Wie am Beginn der Beschreibung festgehalten wurde, ist die erfindungsgemäße, prellmindernde Massenanordnung unabhängig von der Größe und Form einer mechanischen Anordnung anwendbar. Neben der besonders vorteilhaften Anwendung bei mechanischen Kontakten in Schaltern und Relais sei auf andere prell- bzw. stoßgefährdete Maschinenteile hingewiesen.

Pip. 10 zeigt ein Fahrzeugrad M mit der Masse M das über die Achse A an einen Drehpunkt 0 befestigt ist und eine prellgefährdete Masse M mit der Elastizität E gegenüber dem festen Boden MG darstellt. In der Nähe des Rades M ist die erfindungsgemäße kleinere Masse m mit der Elastizität e über den Dämpfer E an der Achse A befestigt. Besonders vorteilhaft wird die An^odnung, v/enn Masse M mal Elastizität E annähernd gleich Masse m mal Elastizität e gewählt wird.

7 Ansprüche

3 P-I. Zeichnungen

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Claims

- 11, -

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Ansprüche

Massenanordnung zur Vermeidung von Prellungen und
Vibrationen von prellgefährdeten mechanischen Teilen, wobei die kinetische Energie zweier Stoßpartnermassen an zusätzliche, benachbarte in Stoßrichtung
dämpfend gelagerte Massen durch Stoß abgegeben wird,
dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung von den zwei
primären Stoßpartnermassen weg, die Masse der folgenden Masse oder Massen abnimmt und in der selben Richtung die Elastizität und außerdem der Energieverlustfaktor und/oder die Beweglichkeit der dann zusätzlich zu dämpfenden Massen zunehmen.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für zumindest eine der primären Stoßpartnermassen und für jede folgende Masse das Produkt aus Masse mal Elastizität annähernd konstant ist.

Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für eine der priir.ären Stoßpartnermassen und für jede folgende Masse gilt, daß die folgende Masse zwei Drittel bis ein Zehntel der vorangehenden Masse beträgt.

2k.2.1976, G/Ku

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^. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegungsdämpfende Anordnung die folgende, energieübernehmende Masse oder Massen trägt und/oder abbremst.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und h, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der primären Stoßpartnermassen und ihre folgenden Massen und Elastizitäten· oder nur die folgende Massen und Elastizitäten, den Massenbelag und Elastizitätsbelag einer kinetischen Leitung annähern, wobei in Richtung von der primären Stoßpartnermasse weg, der Massenbelag abnimmt, jedoch der Elastizitätsbelag und der Dämpfungsfaktor zunehmen.

6. Anordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß das .Produkt aus Massenbelag mal Elastizitätsbelag der kinetischen Leitung annähernd konstant bleibt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Massen und Elastizitäten in Schichten hergestellt sind und in Form eines Belages auf eine prellgefährdete Massev&ufgebracht ist oder beweglich aufliegt.

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