DE3885269T2

DE3885269T2 - Schwingungsdämpfer und Isolator.

Info

Publication number: DE3885269T2
Application number: DE19883885269
Authority: DE
Inventors: Lawrence Porter Davis
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2008-04-29
Also published as: EP0339113B1; DE3885269D1; EP0339113A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Vibrationsisolierung und insbesondere auf die Vibrationsdämpfung und Isolierung für Einrichtungen mit extrem geringen Vibrations-Spezifikationen.
Schwungradanordnungen auf Richt-Steuersystemen sind kritische Elemente eines Teleskopsystems. Diese Anordnungen tragen jedoch bedeutend als Vibrationskomponenten zu dem System während des Betriebs bei. Da Teleskope strenge Richtanforderungen aufweisen, besteht eine Notwendigkeit, die durch das Schwungrad eingeführte Vibration zu isolieren wobei die bedeutendste Vibration durch axiale Kräfte verursacht wird, die dem Lager der Kugeln des inneren und äußeren Laufringes und Unvollkommenheiten der Kugeln selbst zuzuordnen sind.
Eine bekannte Lösung des Problems, die als Drahtseil bekannt ist, verwendet verschiedene verseilte Drähte, die in einem Kreis gewickelt sind und mit einem Ende an die Basis bzw. Masse angeschlossen sind und mit dem anderen an die zu isolierende Einrichtung bzw. Nutzlast. Eine Nachgiebigkeit und Isolation wird durch die Flexibilität des Drahtes vorgegeben und eine Coulomb-Dämpfung bzw. Energieabsorption wird durch die aneinander sich reibenden Drähte vorgegeben. Diese Einrichtung besitzt verschiedene Nachteile, welche umfassen: Eine geringe Dämpfungs- und Steifigkeitscharakteristik, welche sich mit der Größe des Eingangs-Vibrationspegels verändert, Leistungsänderungen bei Veränderung der Umgebungsbedingungen und einen mathematischen Aufwand, der ein Iterationsverfahren beim Entwurf und Test erfordert, bevor eine endgültige Konfiguration erreicht wird.
Eine zweite bekannte Lösung verwendet viskoelastische Materialien als Isolationselement. Obgleich diese Einrichtungen in der Lage sind, eine Isolation in den meisten Anwendungsfällen vorzugeben, zeigen sie eine erhöhte Empfindlichkeit bezüglich Temperatur- und anderer Umgebungsbedingungen.
Ein Vibrations-Dämpfungssystem gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 ist in der US-A 32 43 154 beschrieben. Bei diesem System ist das Endstück des ersten Balgs und das Grundstück des zweiten Balgs mit einer Einrichtung befestigt deren Vibrationen zu dämpfen sind und die Einrichtung mit der axialen Bohrung ist eine Platte, welche mit einem Stützrahmen befestigt ist und von diesem getragen wird. Eine erste und eine zweite Schraubenfeder sind innerhalb der ersten und zweiten Fluidkammer vorgesehen, die den Stößel umgeben und sie greifen mit einem Ende an der Platte und mit dem anderen Ende an dem Endstück und dem Grundstück der Balgen entsprechend an. Vibrationen absorbierendes Material, vorzugsweise Stahlwolle ist innerhalb und um den Bereich der Federn angeordnet. Die durch die Balgen definierten Kammern sind mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Nitrogen oder Helium gefüllt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten und zuverlässigen Vibrationsdämpfer- und Isolator vorzugeben. Diese und andere Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst, wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele und Einzelheiten sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vibrationsisolierung und Dämpfung erzielt mit einer Anordnung von Balgen, Schraubenfedern und eines Fluids, welche reibende Oberflächen besitzt und dadurch Coulomb- Kräfte eliminiert und eine Steifigkeit vorgibt, die unabhängig von dem Vibrationspegel ist. Erste und zweite Bälge sind in einer axialen Ausrichtung angeordnet und fluidmäßig an gegenüberliegenden Enden durch ein Endstück und ein Basisstück entsprechend abgedichtet, um Innenkammern zu bilden. Ein Stößel, der sich entlang der gemeinsamen Achse erstreckt, ist mit dem Endstück und dem Basisstück befestigt um einen festen Trennabstand dazwischen beizubehalten. Ein Kolben mit einer axialen Durchbohrung und einem sich davon wegerstreckenden Flansch für das Ankoppeln einer Nutzlast ist um den Stößel in einer koaxialen Beziehung angeordnet und bildet einen Fluidspalt zwischen sich und dem Stößel. Dieser Fluidspalt verbindet die Fluidkammern in dem ersten und zweiten Balg, die zwischen dem Kolben, den Innenwänden der Bälge und dem Flanschansatz des Kolbens gebildet werden, mit welchem die zuvor nicht abgedichteten Enden der Bälge dichtend verbunden werden, um ein Fluidbehältnis vorzugeben. Diese Anordnung erzielt eine Dämpfung durch reine Viskosefluid-Scherkräfte und vermeidet vollständig jegliche reibenden Oberflächen, wodurch Coulomb-Kräfte eliminiert werden. Das Fluid ist in den zwei Fluidkammern und dem Spalt, der zwischen dem Kolben und dem Stößel gebildet wird, abgedichtet. Wenn sich die Nutzlast bewegt, so wächst das Volumen einer Kammer an, während das Volumen der zweiten Kammer abnimmt. Auf Grund des festen Abstandes zwischen dem Endstück des ersten Balgs und dem Basisstück des zweiten Balgs, der durch den Stößel vorgegeben wird, wird das Gesamtvolumen konstant gehalten. Somit wird Fluid mit konstantem Volumen, das innerhalb der zwei Kammern und des Spaltes enthalten ist, gemäß der Bewegung der Last auf die Kammern verteilt. Dämpfungskoeffizienten verändern sich bei der Erfindung in Abhängigkeit von der Fluid-Viskosität und der radialen Breite und der axialen Länge des Spaltes, wobei diese anwachsen, wenn die Viskosität und die axiale Länge anwächst und der radiale Abstand abnimmt. Eine außerhalb um die Bälge gewickelte Feder stützt den Flansch ab und gibt eine Steifigkeit für den Vibrationsisolator vor.
Eine Temperaturkompensation kann erzielt werden durch die Vorgabe eines dritten Balgs, welcher axial zu den ersten und zweiten Bälgen ausgerichtet ist und eine Fluidkammer aufweist, die mit den Fluidsystem der ersten und zweiten Bälge verbunden ist, um einen Fluidaustausch zwischen dem Temperaturkompensator und dem Haupt-Vibrationsisolator vorzugeben. Dieser Fluidaustausch verursacht die Beibehaltung eines konstanten Fluiddruckes in dem System bei Temperaturveränderungen. Eine Feder, die außen um den Temperatur-Kompensationsbalg gewickelt ist, hält eine axiale Kraft auf diesen aufrecht, um einen positiven Druck auf das innere Fluid über den interessierenden Temperaturbereich unabhängig von dem Umgebungsdruck beizubehalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine aufgeschnittene Ansicht eines Vibrationsdämpfers und Isolators, der ein Temperatur- Kompensationselement umfaßt und gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist.
Figur 2 ist ein schematisches Diagramm des Vibrationsdämpfers und Isolators gemäß Figur 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die Erfindung sei unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben. Ein Vibrationsdämpfer und Isolator 10 umfaßt einen Deckel 11, der einen oberen Balg 13 mit einem Endstück 15 umschließt, das mit dem einen Ende verbunden ist, um eine Fluidabdichtung und strukturelle Unversehrtheit vozugeben. Ein unterer Balg 17 mit einem Basisstück 19, das mit einem Ende verbunden ist, um ebenfalls eine Fluidabdichtung und strukturelle Unversehrtheit vorzugeben, ist in axialer Ausrichtung zu dem oberen Balg 13 angeordnet. Jeder Balg kann eine Wanddicke von 75 um aufweisen und kann galvanisiert sein. Ein starrer Stößel 21, der koaxial zu dem oberen und unteren Balg ist, ist mit dem Endstück 15 und dem Basisstück 19 verbunden, um einen festen Abstand dazwischen und dadurch ein konstantes Volumen innerhalb der Balganordnung beizubehalten. Ein Kolben 23 mit einer axialen Bohrung und einem sich davon erstreckenden Flansch 25 ist koaxial um den Stößel 21 angeordnet, um einen radialen Spalt 27 dazwischen zu bilden. Der Abschnitt des oberen Balgs 13 gegenüber dem Endstück ist mit einer oberen Oberfläche 29 des Flanschansatzes des Kolbens verbunden, während der Abschnitt des unteren Balgs 17 gegenüber dem Basisstück 19 mit einer unteren Oberfläche 31 des Flanschansatzes verbunden ist. Ein oberes Fluidreservoir 33 und ein unteres Fluidreservoir 35 werden durch den oberen und unteren Balg zusammen mit dem Flanschansatz und der Außenfläche der Kolbenwand entsprechend gebildet. Ein Fluid, welches Silikon der Dow Corning Serie 200 sein kann, welches durch die Dow Corning Corporation hergestellt wird, wird in dem System verwendet, um vollständig die Reservoire 33, 35 und den Spalt 27 zu füllen. Dieses Fluid wird während der Vibration zwischen dem oberen Reservoir 33 und dem unteren Reservoir 35 über den Dämpfungsspalt 27 gedrückt. Obgleich sich das Volumen der oberen und unteren Reservoire 33, 35 mit der Bewegung der Nutzlast, die mit dem Flansch befestigt ist, verändern kann, bleibt das gesamte Reservoirvolumen auf Grund des festen Abstandes der durch den Stößel 21 zwischen dem Endstück 15 und dem Basisstück 19 beibehalten wird, konstant. Demzufolge muß die Bewegung durch die Nutzlast und den Flansch 25 gleiche aber entgegengesetzte Volumenveränderungen in dem oberen und unteren Reservoir 33, 35 erzeugen.
Eine obere Feder 37 aus rostfreiem Stahl ist um die äußere Oberfläche des oberen Balgs 13 zwischen der oberen Oberfläche 39 des Flanschansatzes 25 und einem Feder- Widerlager 44 gewickelt, das mit dem Endstück 15 verschraubt ist. Eine untere Feder 43 aus rostfreiem Stahl ist um die äußere Oberfläche des unteren Balgs 17 zwischen der unteren Oberfläche 45 des Flanschansatzes 25 und einem Feder-Widerlager 47 gewickelt, das in dem Rand 49 gebildet ist, der sich von dem Basisstück 19 erstreckt. Diese Federn geben eine geeignete radiale und axiale Steifigkeit für den Vibrationsdämpfer und Isolator vor.
Es sei nun Bezug genommen auf das schematische Diagramm des Vibrationsdämpfers und Isolators gemäß Figur 2, worin zuvor erwähnte Elemente die anfänglich zugeordneten Referenzzahlen tragen. In Figur 2 ist schematisch dargestellt, daß das Endstück 15 und das Basisstück 19 in einem festen Trennabstand durch einen starren Stößel 21 gehalten werden. Ein Kolben 23 mit einer axialen Bohrung ist koaxial um den Stößel 21 angeordnet. Von dem Kolben erstreckt sich ein Flansch 25 für die Befestigung mit der Last. Der obere Balg 13 ist mit dem Endstück 15 und der oberen Oberfläche 29 des Flanschansatzes 25 verbunden, während der untere Balg 17 mit dem Basisstück 19 und der unteren Oberfläche 31 des Flanschansatzes verbunden ist. Aus Figur 2 wird ersichtlich, dar das Gesamtvolumen des Fluids, das zwischen dem Endstück 15, dem Basisstück 19, dem oberen Balg 13 und dem unteren Balg 17 enthalten ist, konstant ist. Unter der Annahme, daß eine nach oben gerichtete Kraft auf das Basisstück 19 ausgeübt wird, vermindert sich das Volumen des unteren Reservoirs 35. Dies ruft ein Anwachsen des Volumens des oberen Reservoirs 33 und einen Fluidfluß durch den Dämpfungsspalt 27 von dem unteren Reservoir zu dem oberen Reservoir 33 hervor, wodurch die Kräfte auf den oberen und unteren Oberflächen des Flanschansatzes ausgeglichen werden und dadurch der Flansch stationär verbleibt.
Nun sei erneut Bezug auf Figur 1 genommen. Eine Temperaturkompensation für eine Fluid-Volumenveränderung mit der Temperatur wird vorgegeben, indem der thermische Kompensationsbalg 51 über die Entlastungsbohrung 53 und den Fluidkanal 55 mit dem oberen Balg 13 verbunden wird. Der thermische Kompensationsbalg 51 ist fluidmäßig durch eine Kappe 57 und den Innenbereich des Balgs 51 abgedichtet. Die Entlastungsbohrung 53 des thermischen Kompensators und der Entlastungskanal 55 sind mit Fluid gefüllt, um jegliche Luftspalte in dem System zu eliminieren. Ein O-Ring 58 zwischen dem thermischen Kompensationsbalg 51 und dem oberen Balg 13 vervollständigt die Fluidabdichtung. Eine Fluidausdehnung auf Grund eines Temperaturzuwachses ruft eine Ausdehnung des thermischen Kompensationsbalgs 51 hervor, wodurch ein Überdruckzustand in den Reservoirs 33, 35 und dem Dämpfungsspalt 27 des Vibrationsdämpfers und Isolators entlastet und ein konstanter Systemdruck beibehalten wird.
Eine axiale Kraft wird auf den thermischen Kompensationsbalg 51 durch eine Vorspannfeder 59 aus rostfreiem Stahl aufrechterhalten, um einen positiven Druck auf das Innenfluid uber einen weiten Bereich der atmosphärischen Druckzustände vorzugeben. Die Feder 59 wird an Ort und Stelle durch ein unteres Widerlager 61, das mit der Kappe 57 verbunden ist und durch ein oberes Widerlager 63 gehalten, das sich um einen vorbestimmten Abstand über dem unteren Widerlager erstreckt und mit dem Feder-Widerlager 44 verschraubt ist.

Claims

1. Einrichtung (10) zum Isolieren und Dämpfen von Vibrationen mit

a) einem ersten Balgen (13), welcher ein erstes Ende mit einem dort eine Fluiddichtung bildenden Endstück (15) sowie ein zweites Ende aufweist;

b) einem koaxial zum ersten Balgen (13) angeordneten zweiten Balgen (17), welcher ein erstes Ende mit einem dort einen Fluiddichtung bildenden Basisteil (19) sowie ein zweites Ende aufweist;

c) einer koaxial innerhalb des ersten und des zweiten Balgen (13, 17) angeordneten Stange (21) vorgegebener Länge, welche mit dem Endstück (15) und dem Basisteil (19) verbunden ist und diese in einem vorgegebenen Abstand hält;

d) einer kolbenartigen Vorrichtung (13) mit einer koaxial zur Stange (21) angeordneten Axialbohrung (27) und mit einer flanschartigen Erweiterung (25), die mit dem zweiten Ende des ersten Balgen (13) sowie dem zweiten Ende des zweiten Balgen (17) verbunden ist, um mit diesen Enden Fluiddichtungen zu bilden; wobei

e) die flanschartige Erweiterung (25) einen Flansch zum Verbinden der Einrichtung mit einer Nutzlast aufweist; und wobei

f) die die Axialbohrung (27) aufweisende kolbenartige Vorrichtung (23) mit dem ersten Balgen (13) eine erste Fluidkammer (33) und mit dem zweiten Balgen (17) eine zweite Fluidkammer (35) bildet und die Axialbohrung (27) mit der Stange (21) einen Radialspalt (27) bildet, welcher eine Fluidverbindung zwischen der ersten und der zweiten Fluidkammer (33, 35) herstellt;

g) einer Fluidfüllung in den ersten und zweiten Fluidkammern (33, 35) und im Radialspalt (27); sowie mit

h) zwischen der flanschartigen Erweiterung (25) und dem Endstück (15) sowie zwischen der flanschartigen Erweiterung (25) und dem Basisteil (19) angeordneten Federmitteln (37, 43) zur Erzielung einer axialen Steifigkeit, gekennzeichnet dadurch, daß

i) die Federmittel (37, 43) außen um den ersten und den zweiten Balgen (13, 14) gewickelt sind, um sowohl radiale als auch axiale Steifigkeit zu erzielen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die kolbenartige Vorrichtung (23) in die erste und zweite Fluidkammer (33, 35) hinein erstreckt und zusammen mit der Stange (21) den Radialspalt (27) bildet, der eine Verlängerung in Achsrichtung der kolbenartigen Vorrichtung (23) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel (37, 43) umfassen:

a) eine mit dem Endstück (15) verbundene erste Federabstützung (44);

b) eine um den ersten Balgen (13) gewickelte und zwischen der ersten Federabstützung (44) und der flanschartigen Erweiterung (25) befindliche erste Feder (37);

c) eine mit dem Basisteil (19) verbundene zweite Federabstützung (27);

d) eine um den zweiten Balgen (17) gewickelte und zwischen der zweiten Federabstützung (47) und der flanschartigen Erweiterung (25) angeordnete zweite Feder (43).

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen thermischen Kompensationsbalgen (51), dessen Innenkammer mit einem Fluid gefüllt ist, welches mit dem Radialspalt (27) sowie den ersten und zweiten Fluidkammern (33, 35) in Verbindung steht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit dem thermischen Kompensationsbalgen (51) gekoppelte Druckeinrichtung (59, 61, 63), wobei der thermische Kompensationsbalgen (51) sich bei thermischen Ausdehnungen des Fluids ausdehnt und mit der Druckeinrichtung (59, 61, 63) zwecks Aufrechterhaltung eines praktisch konstanten Druckes zusammenwirkt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinrichtung (59, 61, 63) eine Feder (59) zur Erzeugung eines positiven Druckes auf das Fluid aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinrichtung (59, 61, 63) umfaßt:

a) eine mit dem Kompensationsbalgen (51) gekoppelte erste Hülse (61);

b) eine mit dem Endstück (15) gekoppelte und koaxial eine vorgegebene Strecke über die erste Hülse (61) hinausragende zweite Hülse (63); sowie

c) eine zwischen der ersten und der zweiten Hülse (61, 63) angeordnete und um den thermischen Kompensationsbalgen (51) gewickelte Vorbelastungsfeder (59).