DE494581C - Device for preventing shaft breaks, caused by resonance vibrations of masses mounted on the shaft, the shaft being subdivided in the node or in the node points of the vibrations - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Verhütung von Wellenbrüchen, hervorgerufen durch Resonanzschwingungen von auf der Welle gelagerten massen, wobei die Welle im Knotenpunkt oder in den Knotenpunkten der Schwingungen unterteilt ist Wenn eine Welle, auf welcher zwei oder mehrere Massen gelagert sind, in Drehung versetzt wird, so ist es möglich, daß diesle. Massen gegeneinanderschwingen, und zwar mit Eigenschwingungszahlen, die einerseits von dem Trägheitsmoment der rotierenden Massen, andererseits von den elastischen Eigenschaften des zwischen den Massen befindlichen Wellenstückes abhängig sind. Steht die Drehzahl der Welle in einem bestimmten Verhältnis zu einer der Eigenschwingungszahlen, so entsteht eine kritische Drehzahl. Die Massen schwingen hierbei gegeneinander, so daß in dem dazwischen liegenden Wellenstück zusätzliche Beanspruchungen auftreten, die ihren Höchstwert im Knotenpunkt der Schwingungen besitzen und bei häufigem und längerem Betrieb im Bereiche einer kritischen Drehzahl zum Bruch der Wellen führen können. Es ist nicht Vorbedingung, daß sich die Massen auf einem ungeteilten Wellenstück befinden. Auch wenn z. B. ein Zahnradgetriebe. eine Kupplung o. Igl. dazwischenge- schaltet ist, tritt in gleicher Weise ein Gegeneinanderschwingen der Massen bei kritischen Drehzahlen auf. Bekanntlich schwingen auch Drehstromgeneratoren, die nur durch das Stromnetz gekuppelt sind, unter bestimmten Verhältnissen gegeneinander.Device for preventing shaft breakage caused by resonance vibrations of masses mounted on the shaft, the shaft being subdivided in the node or in the nodes of the vibrations.If a shaft on which two or more masses are mounted is set in rotation, it is possible that diesle. Masses vibrate against each other, with natural frequencies that are dependent on the one hand on the moment of inertia of the rotating masses and on the other hand on the elastic properties of the part of the shaft located between the masses. If the speed of the shaft is in a certain ratio to one of the natural frequencies, then a critical speed arises. The masses vibrate against each other, so that additional stresses occur in the intermediate shaft section, which have their maximum value at the node of the vibrations and can lead to breakage of the shafts with frequent and prolonged operation in the range of a critical speed. It is not a prerequisite that the masses are located on an undivided piece of shaft. Even if z. B. a gear transmission. a clutch or Igl. is interposed , the masses oscillate against one another at critical speeds in the same way. It is well known that three-phase generators that are only coupled by the power grid also vibrate against each other under certain conditions.

Es ist bekannt, daß sich Wellenbrüche, die entweder durch Auftreten großer Beschleunigungskräfte oder durch Schwingungen der Massen in kritischen Gebieten e-ntstandea sind, dadurch beheben lassen, daß. man :die Welle an geeigneter Stelle unterteilt und hier eine einfache Reibungskupplung anordnet, die nur verhältnismäßig schwach vorgespannt wird, so daß sie zu rutschen beginnt, sobald das Drehmoment einen bestimmten zulässigen Betrag überschreitet. Man findet solche Anordnungen (Rutschkupplungen:) z. B. an Flugmotoren. Für die L-bertragung größerer Kräfte kommt eine solche einfache Reibungskupplung aber nicht in Frage, einerseits, weil das Drehmoment, bei welchem die Kupplung zu rutschen beginnt, sich je nach dem Zustand der Reibungsflächen innerhalb ziemlich weiter Grenzen unerwünscht ändern kann und andererseits, weil bei den großen Kräften und bei der hohen Frequenz :der Schwingungen, um die es sich fast immer handelt, die Reibflächen in kurzer Zeit zerstört würden.It is known that shaft breaks, which occur either by large acceleration forces or due to vibrations of the masses in critical areas e-ntstandea are to be remedied by that. man: the wave at a suitable point divided and arranged here a simple friction clutch, which is only relatively is weakly biased so that it begins to slip as soon as the torque is applied exceeds a certain allowable amount. Such arrangements are found (Slip clutches :) z. B. on aircraft engines. For the transmission of greater forces comes Such a simple friction clutch is out of the question, on the one hand because that Torque at which the clutch begins to slip depends on the state the friction surfaces can change undesirably within fairly wide limits and on the other hand, because with the great forces and with the high frequency: the vibrations, which it is almost always the case that the friction surfaces would be destroyed in a short time.

Eine andere bekannte Möglichkeit, die störenden Wirkungen bestimmter kritischer Schwingungen bei langen Wellenleitungen unschädlich zu machen, besteht darin, daß die Welle an geeigneter Stelle unterteilt und eine Art Flüssigkeitsgetriebe zwischengeschaltet wird, bei welchem keinerlei starre Verbindung der beiden Wellenteile besteht, sondern welches nur dadurch zur Wirkung kommt, daß zwischen treibender und getriebener We11e@ stets ein Geschwindigkeitsunterschied vorhanden ist, d. h. es muß ein ständiges Schlüpfen auch außerhalb der kritischen Gebiete stattfinden. Durch eine solche Trennung dex beiden Wellenteile kann sich erfahrungsgemäß eine Schwingung der Massen, die auf dem einen Wellenteil sitzen, gegen die Massen, die sich auf dem .anderen Wellenteil befinden, nicht ausbilden. Es bestehen vielmehr zwei voneinander getrennte Schwingungssysteme, von denen jedes seine Schwingungszahl hat. Beide Schwingungszahlen werden aber stets höher liegen als die Eigenschwingungszahl der ganzen Wellenleitung, wenn diese starr gekuppelt wäre, was in vielen Fällen von großem Vorteil sein kann. Nachteilig für die . Anwendung solcher Schlüpfkupplungen im praktischen Betriebe ist der Umstand, daß durch das Schlüpfen ein ständiger Arbeitsverlust in Kauf genommen werden muß, der mehrere Prozent beträgt, und daß die Abmessungen der Kupplungen sehr groß werden, wenn man mit möglichst geringem Schlüpfverlust auskommen will. Außerdem können die Verhältnisse aber auch so liegen, daß das eine oder andere Wellenende für sich immer noch gefährliche kritische Gebiete besitzt, die innerhalb der Betriebsdrehzahlen liegen.Another well-known way of reducing the disruptive effects of certain critical vibrations in long waveguides harmless exists in that the shaft is divided at a suitable point and a kind of fluid transmission is interposed, in which no rigid connection of the two shaft parts exists, but which only comes into effect because between the driving force and driven shaft @ there is always a speed difference, d. H. there must be constant hatching also outside the critical areas occur. Experience has shown that such a separation can result in the two shaft parts an oscillation of the masses sitting on one part of the shaft against the masses, which are located on the other part of the shaft, do not form. Rather, they exist two separate oscillation systems, each of which has its own oscillation number Has. Both oscillation numbers will always be higher than the natural oscillation number of the entire waveguide, if this were rigidly coupled, which in many cases can be of great benefit. Detrimental to the. Use of such slip clutches in practical operation is the fact that hatching results in a constant loss of work must be accepted, which is several percent, and that the dimensions the clutches are very large if you have the least possible slip loss wants to get along. In addition, the circumstances can also be such that one or another shaft end still has dangerous critical areas, which are within the operating speeds.

Die vorliegende Erfindung hat nun den Zweck, eine Verbindung der Enden von unterteilten Wellen zu schaffen, die ähnlich einer gewöhnlichen Reibungskupplung außerhalb der kritischen Gebiete als starre Verbindung gelten kann, so daß keinerlei Arbeitsverlust stattfindet, während zugleich beliebig große Kräfte übertragen werden können, ohne daß unzulässige Erwärmung, Anfressung o. dgl,. zu befürchten ist und wobei die Kupplung, wenn kritische Schwingungen auftreten, bei einem genau bestimmten Drehmoment zu rutschen beginnt.The present invention now has the purpose of connecting the ends of split shafts that are similar to an ordinary friction clutch outside of the critical areas can be regarded as a rigid connection, so that no Loss of work takes place while at the same time arbitrarily large forces are transferred can without inadmissible heating, pitting or the like. is to be feared and the coupling, if critical vibrations occur, at a precisely determined one Torque begins to slip.

Erfindungsgemäß werden die Enden der zwischen den Massen möglichst im Knotenpunkt oder in den Knotenpunkten der Schwingungen unterteilten Welle durch positiv wirkende Flüssigkeitspumpen bekannter Bauart gekuppelt, deren die Druckräume sperrende Ventile so belastet sind, daß sie erst bei Überschreiten eines Druckes öffnen, der etwas höher liegt als der dem größten, ohne Berücksichtigung von Drehschwingungen auftretenden Drehmoment entsprechende Druck, so daß die Kupplung außerhalb des Bereiches kritischer Drehzahlen als starre Kupplung wirkt. Bei Verwendung von Kolbenpumpen können die Saugventile während des Saughubes der Kolben mechanisch offen gehalten werden.According to the invention, the ends of the between the masses are as possible wave divided at the node or nodes of the vibrations positive-acting liquid pumps of known design coupled, the pressure chambers of which blocking valves are so loaded that they only work when a pressure is exceeded open, which is slightly higher than the largest, without taking torsional vibrations into account occurring torque corresponding pressure, so that the clutch is out of range at critical speeds acts as a rigid coupling. When using piston pumps the suction valves can be kept open mechanically during the suction stroke of the pistons will.

In den Abb. i und a ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Quer- und Axialschnitt dargestellt.In Figs. I and a is an embodiment of the invention Device shown in cross and axial section.

1?s ist angenommen, daß das zu .übertragende Drehmoment durch die Welle a zugeführt und durch die Welle b weitergeleitet wird; für die Wirkung der Vorrichtung ist es jedoch gleichgültig, ob die Kraftübertragung von a nach b oder umgekehrt vor sich geht. Die Welle a ist mit einer Kurbel k versehen und in dem Gehäuse c vermittels des Zapfens.d drehbar gelagert, während die Welle b fest mit dem Gehäuse c verbunden ist. Letzteres trägt mehrere sternförmig angeordnete Zylinder e die zu den Zylindern gehörigen Kolben f sind durch Treibstangen g in bekannter Weise mit dem für alle Zylinder gemeinsamen Kurbeha.pfen h verbunden. In den Zylinderdeckeln befindet sich je ein federbelastetes, nicht gesteuertes Einsaugventil i und ein ebensolches Auslaßventil h. Wie aus Abb. i ersichtlich, besitzt jeder Zylinderdeckel einen gemeinsamen Saug- und Druckraum. Diese Räume sind untereinander verbunden, was in der Abbildung durch Leitungen L angedeutet ist. Der Raum zwischen den Kolben und den Zylinderdeckeln ebenso wie die gemeinsamen Saug- und Druckräume nebst Verbindungsleitungen sind mit einer Flüssigkeit (z. B. Schmieröl) gefüllt. Die Federn der Druckventile sind so stark gespannt, daß sie sich erst bei einem Druck öffnen, der höher ist als der dem größten zu übertragenden Drehmoment ent-, sprechende Druck. Die Kolben nehmen daher die Zylinder und damit das Gehäuse und die mit letzterem verbundene Welle b mit, solange ;das durchgleitende Drehmoment einen Höchstbetrag, welcher durch die Spannung der Federn der Druckventile genau bestimmt ist, nicht überschreitet, so daß bis zu diesem Druck die Wellen a und b praktisch starr miteinander gekuppelt sind. Solange keine zusätzlichen unerwünschten Kräfte hinzukommen, bleibt der Zustand der starren Kupplung zwischen den Wellen a und b bestehen. Befinden sich auf .den Wellen rt und b je eine oder mehrere Massen, so pendeln diese im' Bereiche von kritischen Drehzahlen gegeneinander, so daß bei jeder dem Drehsinn entgegengerichteten Schwingung eine zusätzliche Kraft auftritt, die ausreichend sein kann, den größten zulässigen Kolbendruck zu überwinden. Hierbei werden die Druckventile h geöffnet, so daß etwas Flüssigkeit in den Saug- und Druckraum strömt und die Kolben gegenüber den Zylindern um einen kleinen Betrag voreilen. Dadurch wird nicht nur eine Beanspruchung der Welle über eine von vornherein festgelegte Grenze unmöglich gemacht, sondern es werden auch die Schwingungen, die natürlich im Bereich einer kritischen Drehzahl immer noch auftreten, durch das geringe Rutschen stark abgeschwächt, so da(1 sie sich nicht entwickeln können. Es ißt ohne weiteres verständlich, daß der Sammelraum für die aus den Druckventilen austretende Flüssigkeit, der durch die Verbindungsleitung I und die Räume in den Zylinderdekkeln gebildet wird, gleichzeitig als Saugraum für die einwärts gehenden Kolben dient, Lind dar. in diesem Raum ein niedriger Druck, z. B. Atmosphärendruck, herrschen muß. Selbstverständlich müssen Vorkehrungen getroffen sein, daß der Druck im Sammelraum möglichst konstant gehalten wird, und daß durch Undichtheit verlorengehende Flüssigkeit ständig ersetzt wird.1? S it is assumed that the torque to be transmitted is supplied through shaft a and passed on through shaft b; for the effect of the device, however, it does not matter whether the force is transmitted from a to b or vice versa. The shaft a is provided with a crank k and rotatably mounted in the housing c by means of the pin.d, while the shaft b is firmly connected to the housing c. The latter carries several cylinders e arranged in a star shape, the pistons f belonging to the cylinders are connected in a known manner to the crank pin h common to all cylinders by connecting rods g. In each of the cylinder covers there is a spring-loaded, non-controlled intake valve i and an exhaust valve h of the same type. As can be seen from Fig. I, each cylinder cover has a common suction and pressure chamber. These rooms are connected to one another, which is indicated by lines L in the figure. The space between the pistons and the cylinder covers as well as the common suction and pressure spaces and connecting lines are filled with a liquid (e.g. lubricating oil). The springs of the pressure valves are so strongly tensioned that they only open at a pressure which is higher than the pressure corresponding to the greatest torque to be transmitted. The pistons therefore take the cylinders and thus the housing and the shaft b connected to the latter with them, as long as the sliding torque does not exceed a maximum amount which is precisely determined by the tension of the springs of the pressure valves, so that the shafts up to this pressure a and b are practically rigidly coupled to one another. As long as no additional undesirable forces are added, the state of the rigid coupling between shafts a and b remains. If there are one or more masses on each of the shafts rt and b , they oscillate against each other in the range of critical speeds, so that with each oscillation opposite to the direction of rotation an additional force occurs which can be sufficient to overcome the greatest permissible piston pressure . Here the pressure valves h are opened so that some liquid flows into the suction and pressure chamber and the pistons lead the cylinders by a small amount. This not only makes it impossible to stress the shaft beyond a predetermined limit, but also the vibrations, which of course still occur in the range of a critical speed, are greatly weakened by the slight slippage, so that (1 they do not develop It is easy to understand that the collecting space for the liquid emerging from the pressure valves, which is formed by the connecting line I and the spaces in the cylinder covers, also serves as a suction space for the pistons going inwards, and is in this space It goes without saying that precautions must be taken to ensure that the pressure in the collecting space is kept as constant as possible and that any liquid lost due to leaks is constantly replaced.

Die in den Abb. i und 2 dargestellte Vorrichtung wirkt gleichartig in bezug auf beid*#2Drehrichtungen. In Abb.3 ist eine andere Ausführungsart dargestellt, die nur in einer Drehrichtung verwendbar ist; die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung, ähnlich wie die Abb. i ; es sind hier nur einige der Zylinder in etwas größerem Maßstab gezeichnet: die angegebenen Bezugsr zeichen bezeichnen die gleichen T°il° wie in Abb. i und 2. Das Saugventil i befindet sich bei dieser Anordnung im Kolben und wird von einer mit der Treibstange ; verbundenen Knag-e in gesteuert. Diese Art der Unterbringun- und Steuerung des Saugventils ist jedoch keine besondere Eigenart dieser Vorrichtung, das Saugventil kann auch ebensogut im Zylinder oder im Deckel angeordnet und durch eine besondere Steuerung von der Kurbelwelle aus oder in anderer geeigneter NVeise bedient werden. Das Druckventill ist eigentlich am Zylinder angebracht; die austretende Flüssigkeit wird in das Innere des hermetisch geschlossenen Gehäuses c geleitet, wobei vorausgesetzt ist, daß das ganze Innere des Kurbelgehäuses einschließlich der Zylinderräume unterhalb der Kolben von vornherein mit Flüssigkeit gefüllt ist. Es bildet hier also das Gehäuse den Sammelraum für die Flüssigkeit in derselben Weise wie die \-erbindun@sleituirgen L in Abb. i, doch sind beide Ausführungsarten für die beabsichtigte Wirkung der Vorrichtung ohne Bedeutung, man kann die Ventile wie die Sammelkammer für die Flüssigkeit auch in irgendeiner anderen «'eise anordnen.The device shown in Figs. I and 2 works in the same way with respect to both * # 2 directions of rotation. Another type of construction is shown in Figure 3, which can only be used in one direction of rotation; the figure shows a cross-section through the device, similar to Fig. i; here are just a few of the cylinders Drawn on a slightly larger scale: denote the given reference symbols the same T ° il ° as in Fig. i and 2. The suction valve i is located there Arrangement in the piston and is operated by one with the drive rod; associated Knag-e in controlled. However, this type of accommodation and control of the suction valve is no particular feature of this device, the suction valve can just as well arranged in the cylinder or in the cover and by a special control of the The crankshaft can be operated from or in another suitable manner. The pressure valve is actually attached to the cylinder; the leaking liquid will go into the interior of the hermetically sealed housing c, provided that the entire interior of the crankcase including the cylinder spaces below the pistons is filled with liquid from the start. So it forms the housing here Collection space for the liquid in the same way as the \ -erbindun @ sleituirgen L in Fig. I, but both versions are suitable for the intended effect of the The device is irrelevant, the valves can be used as the collection chamber for the liquid also arrange in any other way.

Nimmt man an, daß sich der Kurbelzapfen Ir wieder an der treibenden Wellea (s. Abb. 2) befindet, und daß diese sich in der in Abb. ; angegebenen Pfeilrichtung dreht, so sind die Kolben mit den Zylindern in derselben Weise gekuppelt wie bei der Ausführung nach Abb. i und z. Tritt eine Schwingung auf. die derart wirkt, daL, das treibende Wellenende nachzueilen oder das getriebene Wellenende vorzueilen bestrebt ist, so eilen die reit der betriebenen Welle b fc-st verbundenen Zylinder gegenüber der Kurbel vor, ohne nennenswerten Widerstand zu findun, da bei Rückwärtsdrehung die Saugventile i der nach außen strebenden Kolben durch die Knaggen nt mechanisch offen gehalten sind, wie an dem linken Zylinder in Abb.3 ersichtlich. Es kann somit durch keinen dieser Kolben Druck erzeugt werden; die Saugventile der sich nach innen bewegenden Kolben wirken als automatische, fed@erbelastcte Ventile. Diese Vorrichtung hat demnach gegenüber der zuerst geschilderten Ausführungsart den Vorteil, daß praktisch keine Kraft auftreten kann, welche auf die getriebene Welle entgegengesetzt der gewünschten Drehrichtung wirkt. Die Ausführungsart nach Abb.3 ist jedoch nur in einem Drehsinn verwendbar.If one assumes that the crank pin Ir is again on the driving shaftea (see Fig. 2), and that this is in the position shown in Fig.; indicated arrow direction rotates, the pistons are coupled to the cylinders in the same way as in the version according to Fig. i and z. Vibration occurs. which acts in such a way that the driving shaft end strives to lag behind or the driven shaft end strives to lead, so the cylinders connected to the driven shaft b fc-st rush ahead of the crank without encountering any significant resistance, since when the suction valves are rotated backwards the following Pistons that strive to the outside are kept mechanically open by the lugs, as can be seen on the left cylinder in Figure 3. No pressure can therefore be generated by any of these pistons; the suction valves of the pistons moving inwards act as automatic, spring-loaded valves. This device accordingly has the advantage over the embodiment described first that practically no force can occur which acts on the driven shaft in the opposite direction to the desired direction of rotation. However, the design according to Fig. 3 can only be used in one direction of rotation.

An Stelle der dargestellten rotierenden Kolbenpumpe kann auch irgendeine andere positiv wirkende Flüssigkeitspumpe in Anwendung kommen, z. B. eine Zahnradpumpe oder eine Pumpe der beim Lentz-Flüssigkeitsgetriebe verwendeten Art, sofern die treibende Welle die gleiche Mitte hat wie die Drehachse des Pumpengehäuses.Instead of the rotating piston pump shown, any other positive-acting liquid pumps come into use, z. B. a gear pump or a pump of the type used in the Lentz fluid transmission, provided that the driving shaft has the same center as the axis of rotation of the pump housing.

Claims (2)

PATEN TANSPRICHR: i. Vorrichtung zur Verhütung von Wellenbrüchen, hervorgerufen durch Resonanzschwingungen von auf der Welle gelagerten Massen, wobei die Welle im Knotenpunkt oder in den Knotenpunkten der Schwingungen unterteilt ist, dadurch --elzennzeichnet, daß die Wellenenden durch positiv wirkende, rotierende Flüssigkeitspumpen an sich bekannter Ausführung (z. B. Kolbenpumpen, Zahnradpumpen o. dgl.) gekuppelt sind, deren die Druckräume sperrende Ventile so belastet sind, daß sie erst bei überschreiten eines Druckes öffnen, der etwas höher liegt als der dein größten, ohne Berücksichtigung von Drehschwingungen auftretenden Drehmoment entsprechende Druck, so daß die Kupplung außerhalb des Bereiches kritischer Drehzahlen als starre Kupplung wirkt. PATENT APPLIED: i. Device for preventing shaft breakages caused by resonance vibrations of masses mounted on the shaft, whereby the shaft is subdivided in the node or in the nodes of the vibrations, characterized in that the shaft ends are equipped with positive rotating fluid pumps of known design (e.g. B. piston pumps, gear pumps or the like) are coupled, the valves blocking the pressure chambers are so loaded that they only open when a pressure is exceeded that is slightly higher than the pressure corresponding to your greatest torque without taking torsional vibrations into account, so that the clutch acts as a rigid clutch outside the critical speed range. 2. Vorrichtung nach Anspruch i unter Verwendung von Kolbenpumpen, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugventile (i, Abb. ;) der Pumpen beim Saughub der Kolben (f) offen gehalten werden.2. Device according to claim i using piston pumps, characterized in that the suction valves (i, Fig.;) of the pumps during the suction stroke the piston (f) must be kept open.