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Luftfeder
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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder für eine in allen Freiheitsgraden
sehr weich gefederte Lagerung von Maschinen oder Fundamenten, insbesondere zur passiven
Schwingungsisolierung mit hohem Isolationsgrad.
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Der Zweck der federnden Aufstellung von Maschinen und Fundamenten
ist die Verminderung von Schwingungen oder Stößen, die von Maschinen bzw.
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Maschinengruppen in den Boden eingeleitet werden (aktive Schwingungsisolierung),
bzw. die vom Boden auf Maschinen oder Fundamente übertragen werden (passive Schwingungsisolierung).
Wie stark die Verminderung im jeweiligen Fall sein muß, wird durch die zulässigen
Schwingungen (z.B. zul. Gebäudeerschütterungen) bestimmt - oder im Fall der passiven
Schwingungsisolierung durch die Empfindlichkeit des vor Schwingungen zu schützenden
Gerätes, welches auf ein auf Federn aufgestelltes Fundament aufgebaut ist. Im speziellen
Fall der passiven Schwingungsisolierung sind auch Schwingungen mit Frequenzen von
etwa 2 Hz (z.B. Gebäudeschwingungen) zu isolieren, die gleichzeitig in allen Richtungen
auftreten können. Entsprechend werden von Fundamenten Eigenfrequenzen von 1 Hz und
darunter verlangt.
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Zur Erfüllung dieser Anforderungen werden die unterschiedlichsten
Federn, wie Stahlfedern, Gummifedern und Luftfedern (s. VDI-Richtlinien 2062 Entwurf,
1975) eingesetzt. Es ist bekannt, daß mit Stahlfedern eine derart weiche Lagerung
erzielt werden kann, doch sind hierfür unverhältnismäßig große Stahlfedern erforderlich,
die bei bestimmten Schwingfrequenzen in Resonanz geraten und damit eine passive
Schwingungsisolierung erheblich versehlechtern. Mit Gummifedern allein ist ein Fundament
oder eine Maschine nicht so weich zu lagern, daß sämtliche Eigenfrequenzen unter
1 Hz liegen. Stahlfedern und Gummifedern haben zusätzlich den Nachteil, daß bei
Massenänderungen
der federnd aufgestellten Maschinen bzw. Fundamente sich deren Lage ändert - und
zwar bei einer sehr weichen Federung in erheblichem Maß, was in vielen Fällen verhindert
werden muß.
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Luftfedern sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt (Luftfedern
mit Membranabdichtung und verschiedene Typen von Gummibalg-Luftfedern) .
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Luftfedern mit Membranabdichtung weisen für die oben genannten Forderungen
eine in Querrichtung zu hohe Federsteifigkeit auf, was sich rechnerisch nachweisen
läßt. Dagegen lassen sich Gummibalg-Luftfedern - allerdings nur in der Bauform des
Einwellenbalges - gleichzeitig in Längs- und Querrichtung mit geringer Federsteifigkeit
ausführen. Nachteilig ist hier die gegenseitige Abhängigkeit von Längs- und Querfedersteifigkeit,
die bedingt, daß diese Art von Luftfeder nicht in gewünschtem Umfang den äußeren
Bedingungen angepaßt werden kann. Hinzu kommt der Nachteil, daß aufgrund der Werkstoffeigenschaften
des Gummibalges (hier sind Kriechen, Temperaturabhänigkeit und Altern zu nennen)
die einmal eingestellten bzw. erzielten Querfedersteifigkeitswerte nicht über einen
längeren Zeitraum konstant bleiben. Dieser Einfluß wirkt sich besonders stark aus,
wenn Maschinen oder Fundamente in allen Freiheitsgraden auf Eigenfrequenz von unter
1 Hz abgestimmt werden, wobei sogar im Extremfall die Lagerung nach einiger Zeit
statisch instabil werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Federn bereitzustellen,
die Lagerungen von Maschinen oder Fundamenten mit Eigenfrequenzen von etwa 0, 5
Hz in allen Freiheitsgraden ermöglichen und die gleichzeitig eine automatische Niveauregelung
gestatten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die Luftfeder
aus einer Luftfeder bekannter Bauweise, beispielsweise mit Membranabdichtung und
Niveauregelung, für die überwiegende oder alleinige Federung in axialer Richtung
und zusätzlich einer oder mehrerer Federn aus Werkstoff mit geringer Werkstoffdämpfung,
beispielsweise aus Stahl oder Federstahl, besteht,
die ihrerseits
ganz oder überwiegend die Federung in Querrichtung übernehmen und die gleichzeitig
in axialer Richtung steif sein können.
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Um eine solche Luftfeder auch optimal für die passive Schwingungsisolierung
bei extrem hohen Anforderungen an den Isolationsgrad einsetzen zu können, sind nach
einer weiteren Ausbildung der Erfindung durch einzelne oder mehrere geeignete Maßnahmen,
wie geringe Masse der schwingfähigen Bauteile, Dämpfung der schwingfähigen Bauteile
durch geeignete Konstruktion unter Verwendung schwingungsdämpfender Materialien,
zusätzliche Dämpfung der schwingfähigen Bauteile durch Zusatzdämpfer oder durch
Verlagerung der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Bauteile zu höheren Frequenzen
hin durch Erhöhung einzelner Federsteifigkeiten, die störenden Auswirkungen der
Federresonanzen gering.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß eine Lagerung einer Maschine oder eines Fundamentes bei Eigenschwingungen von
0, 5 Hz in allen Freiheitsgraden erreicht wird und daß gleichzeitig Niveaus chwankungen
infolge von Massenänderungen automatisch über eine Niveauregelung ausgeglichen werden.
Weiterhin werden die für die passive Schwingungsisolierung unerwünschten F ederresonanzen,
wie sie bei vielen Federtypen auftreten, die für weiche Lagerungen geeignet sind,
so niedrig gehalten, daß sie in keiner Weise mehr stören.
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Die bei den gewöhnlichen Federn anbaubaren Zusatzeinrichtungen, wie
Vorrichtung zum Ausrichten der Maschine bzw. des Fundamentes, oder Anschläge zum
Vermeiden zu großer Auslenkwege oder zusätzliche Dämpfer, sind bei der beschriebenen
Luftfeder ebenfalls möglich, so daß diese universell einsetzbar ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele sind in den Bildern 1 und 2 dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Bild 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Luftfeder mit drei
konzentrisch angeordneten Federstäben zur Querfederung und weiteren Ausgestaltungen,
Bild 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete Luftfeder mit einem an einem Ende als Welle
ausgebildeten Rohr zur Querfederung.
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Die Luftfeder in Bild 1 ist in senkrechter Lage dargestellt, so daß
sie beispielsweise das anteilige Gewicht eines zu lagernden Fundamentes aufnehmen
kann. Sie besteht im wesentlichen aus einer üblichen Luftfeder, bei der die Abdichtung
zwischen dem oben liegendem Gehäuse 1 und dem beweglichen Kolben 2 eine dünne Membran
3 aus Kunstfasergewebe besorgt, und der Querfederung, die in diesem Beispiel aus
drei auf dem Kolben konzentrisch angeordneten Federstäben 4 besteht, deren obere
Enden zur Verringerung der Bauhöhe der gesamten Luftfeder in das Gehäuse hineinragen
und über Rohre 5 mit dem Kolben fest verbunden sind.
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Die unteren Enden der Federstäbe sind in dem Flansch 6 befestigt.
Bei einer rein axialen Federung wird der Kolben um den gesamten Federweg in das
Gehäuse hineingedrückt, da die Federstäbe in dieser Richtung starr sind. Bei einer
Bewegung in Querrichtung wirken die drei Federstäbe zusammen als eine Feder und
die Membran zwischen Kolben und Gehäuse als eine zweite Feder (die beiden Federn
sind in Reihe geschaltet). Eine Federung in beliebiger Richtung läßt sich durch
die beiden Einzelbewegungen (in axialer Richtung und quer dazu) darstellen. Der
zwischen den beiden Federn (Membran und Federstäbe) befindliche Kolben mitsamt den
Rohren stellt eine in horizontaler Richtung schwingfähige Masse dar, die zur Vermeidung
von störenden Resonanzen klein gehalten und deren Schwingungen gedämpft werden sollen.
Eine Dämpfung dieser Resonanzen wird schon erreicht, wenn wie in diesem Beispiel
eine Membran aus Kunstfasergewebe verwendet wird.
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Die Federsteifigkeit der Luftfeder in Querrichtung ist veränderbar
auf unterschiedliche Weise. In diesem Beispiel lassen sich durch Schrauben 7 die
Federstäbe aus dem Flansch etwas herausdrücken, so daß sich die freie Länge der
Federstäbe vergrößert. Anschläge 8 dienen zur Begrenzung der Federwege. Wo diese
am günstigsten angebracht werden, ergibt sich aus dem im speziellen Anwendungsfall
verfügbaren Raum. Eine zusätzliche Dämpfung bewirkt der Dämpfer 9 nur für axiale
Bewegungen, der Dämpfer 10 nur bei Querbewegungen und der Dämpfer 11 für axiale
Bewegungen und Querbewegungen. Der Flansch 6 läßt sich über Justierschrauben 12
sphärisch verstellen, wodurch ein auf diesen Luftfedern stehendes Fundament in der
horizontalen Ebene ausgerichtet werden kann.
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Die Federsteifigkeit cz in axialer Richtung läßt sich näherungsweise
aus
mit # = 1,4 Isentropenkoeffizient für Luft bei adiabatischer Zustandsänderung, po
absoluter Luftdruck im Gehäuse, R Radius der tragenden Kolbenfläche, VO Nettovolumen
des Gehäuses, EM Elastizitätsmodul des Membranwerkstoffes, t Dicke der Membran und
s Spaltbreite zwischen Gehäuse und Kolben berechnen. Hierin stellt der erste Term
den Anteil der idealen Luftfeder dar. Der zweite Term gibt näherungsweise unter
den Voraussetzungen s « R, t « s und biegeweicher Membran den Einfluß der Membran
an.
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Dieser ist zu berücksichtigen, wenn dickere Membranen verwendet werden
oder wenn eine sehr niedrige Federsteifigkeit erzielt werden soll.
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Wird eine niedrige Federsteifigkeit ch in Querrichtung verlangt, so
wirkt die Membran relativ steif, und es ist nur die Nachgiebigkeit der an beiden
Enden fest eingespannten Federstäbe zu berücksichtigen.
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Für die drei Federstäbe zusammen beträgt die Federsteifigkeit
E Elastizitätsmodul des Federstabwerkstoffes, J axiales Flächenträgheitsmoment eines
einzelnen F ederstabes, 1 halbe verformbare Länge eines einzelnen Federstabes, G
Gewichtskraft, mit der die Luftfeder in der Ruhelage axial vorbelastet ist.
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Bei der Luftfeder in Bild 2 ist das Gehäuse 1 für das Luftvolumen
unten angeordnet. Der bewegliche Kolben 2 schließt über die biegeweiche Membran
3 das Luftvolumen nach oben ab und trägt die axiale (vertikale) Last.
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das dazwischenliegende, am unteren Ende als Balgwelle 15 ausgebildete
dünnwandige Rohr 16 wirkt als Stehpendel, wobei die Balgwelle ein Federgelenk darstellt.
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Bei einer rein axialen Federung wird bei geeigneter Konstruktion (wirksamer
Balgquerschnitt = tragende Kolbenfläche) nur der Kolben bewegt, da die Balgwelle
in axialer Richtung unbelastet bleibt. Bei einer Auslenkung des Kolbens in Querrichtung
wird das Rohr 16 am oberen Ende ausgelenkt. Die Balgwelle stellt den unteren Drehpunkt
mit Federgelenk dar, der Kolben - durch die Membran sphärisch drehbar - ein zweites
Gelenk.
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Somit kann der Kolben immer parallel zur Grundfläche des Gehäuses
bleiben.
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Das Rohr 16 kann mitels eines austauschbaren Verlängerungsstückes
14 unterschiedlich lang ausgeführt werden, wodurch die Federsteifigkeit in Querrichtung
veränderbar ist. Der Flansch 6 läßt sich über eine elastische Dichtung 13 mittels
Justierschrauben 12 sphärisch verstellen, wodurch ein auf diesen Luftfedern lagerndes
Fundament in der horizontalen Ebene leicht auszurichten ist. Die axiale Federsteifigkeit
cz der Luftfeder ist analog der von Beispiel 1 zu berechnen. Für die Federsteifigkeit
cx in Querrichtung gilt unter den gleichen Voraussetzungen, biegeweiche Membran,
s « « R und t « s, näherungsweise c = cB /L2-G/L x B mit cB Drehfedersteifigkeit
der Balgwelle bei Biegung, L Abstand zwischen Balgwelle und Höhe des Membranwulstes
und G Gewichtskraft, mit der die Luftfeder axial vorbelastet ist.