DE60209233T2

DE60209233T2 - Schwingungsdämpfer zur dämpfung von schwingungen mit niedrigen frequenzen

Info

Publication number: DE60209233T2
Application number: DE60209233T
Authority: DE
Inventors: Erik Jensen
Original assignee: ISIC AS
Current assignee: ISIC AS
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: US7234153B2; DK1432929T3; EP1432929A2; AU2002320963A1; US20040196588A1; WO2003019035A3; DE60209233D1; ATE317951T1; WO2003019035A2; EP1432929B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwingungsdämpferanordnung zur Lagerung schwingungsempfindlicher Gegenstände, insbesondere elektromechanischer Gegenstände, wie zum Beispiel Hard Disks, Floppy Disk Drives, CD-ROM Drives und dergleichen, bezüglich eines Grundteils, mit Federn in der Form von befestigten, gebogenen bzw. gekrümmten Drahtteilen, von denen jedes aus einer Vielzahl von verdrillten Strängen aufgebaut ist, wobei jedes gebogene Drahtteil annähernd in einer Ebene liegt.
Schwingungen zu dämpfen ist bekannt, zum Beispiel wird bei sich drehenden Maschinen häufig ein Dämpfer bzw. eine Dämpfung zwischen die Maschine selbst und der Bodenoberfläche oder der Basis eingesetzt, auf welcher die Maschine aufgebracht ist, um zu verhindern, dass Schwingungen in die Umgebung weitergeleitet werden. Es gibt viele Beispiele dieser Art von Schwingungsdämpfung, welche die Schwingungen ausreichend dämpfen. Eine Dämpfung von Schwingungen, welche sich als Resultat des Betriebs einer Maschine ergeben, zum Beispiel durch rotierende Walzen, sich hin- und herbewegende Kolben oder dergleichen, wobei die Schwingungen in einem Frequenzbereich auftreten, in welchem die Dämpfung mit der sehr großen Masse der Maschine selbst verglichen wird, ist relativ einfach, da zahlreiche unterschiedliche Werkstoffe und Ausführungen verwendet werden können. Für diese Art von Schwingungsdämpfung werden speziell verstärkte Gummipuffer bzw. -stützen, starke bzw. harte Federn und dergleichen benutzt.
In dem Fall von Schwingungen, welche insbesondere eine Übertragung von Schwingungen von einem Gegenstand auf einen anderen einschließen, wobei ein Gegenstand sehr leicht ist und gleichzeitig die Schwingungen in einem Frequenzbereich von 0...200 Hz, insbesondere von 0...100 Hz, liegen, gibt es eine Zahl von Problemen, welche auf keine genügen Art und Weise gelöst worden sind. Da der von Schwingungen zu entkoppelnde Gegenstand sehr leicht ist, können herkömmliche Federn und Gummisysteme nicht benutzt werden, weil diese auf Grund des Eigengewichts des schwingungsempfindlichen Gegenstands entweder bewirken, dass die Feder zu steif erscheint, oder in einer zu großen Amplitude in dem Dämpfungsvorgang resultieren. Weiterhin weisen Gummi- und Kunststoffsysteme die Nachteile auf, dass die Federeigenschaft sich als eine Funktion der Temperatur verändert, das heißt, wenn es sehr kalt ist, wird das Gummi sehr hart, wodurch die Schwingungsdämpferanordnung eine sehr geringe Dämpfung bei niedrigen Frequenzen liefert. Gleichzeitig kann sich Gummi als Re sultat von Sonneneinstrahlung, Öl, Fett etc. zersetzen, wodurch die Nutzungsdauer für einen Gummidämpfer begrenzt ist. Übliche Schraubenfedern sind häufig zu starr und weisen eine begrenzte Standzeit auf, da der Werkstoff einem Ermüdungsbruch nach Gebrauch in einer kurzen Zeit unterliegt. Eine typische Fahrzeugfeder sollte nach ungefähr 200000 km gewechselt werden, da es eine erhöhte Wahrscheinlichkeit eines Werkstofffehlers oberhalb dieser Grenze gibt.
Aus dem Dokument EP 764 794 ist ein Schwingungsdämpfer bekannt, welcher mit einer Grundplatte aufgebaut ist, die über vier Drahtstücke mit einer oberen Platte verbunden ist. Durch Anbringung der Grundplatte auf einer Basis bzw. einem Grundteil oder an einem Rahmen und der oberen Platte an dem von Schwingungen zu entkoppelnden Element, sollte es gemäß der Erfindung möglich sein, die Übertragung von Schwingungen von dem Aufbau auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand in drei Ebenen zu entkoppeln, welche senkrecht zueinander angeordnet sind.
Ein korrespondierendes System ist in der Patentveröffentlichung NL 9101012 aufgezeigt, wobei gebogene Drahtteile von einer Grundplatte mit einer oberen Platte verbunden sind. Dabei ist beabsichtigt, dass die Grundplatte auf einem Rahmen oder Aufbau befestigt ist, und dass die obere Platte mit dem schwingungsempfindlichen Gegenstand verbunden ist, wodurch die gebogenen Drahtteile den schwingungsempfindlichen Gegenstand von Schwingungen entkoppeln sollen, die in dem Rahmen oder dem Grundteil erzeugt werden.
Diesen Systemen ist gemeinsam, dass die gebogenen Drahtteile in einer Ebene senkrecht zu dem Schwingungserzeuger, das heißt dem Grundteil, angebracht sind.
Im Folgenden werden die Dämpfungselemente mit Bezug auf ein X-Y-Z-Koordinatensystem beschrieben, in welchem die XY-, XZ- und YZ-Ebene drei wechselseitig zueinander senkrechte Ebenen bilden.
Wenn ein Dämpfer wie in EP 764 794 illustriert in einem dreidimensionalen Koordinatensystem so platziert ist, dass die Grundplatte in der XZ-Ebene angeordnet ist und die Federn in einer Ebene senkrecht zu der XZ-Ebene, zum Beispiel in der YZ-Ebene, angeordnet sind, übt der Dämpfer seine Funktion darin aus, dass Bewegungen in der Y-Richtung durch Biegung der gebogenen Drahtteile absorbiert werden, Bewegungen in der Z-Ebene als ein Rollen, und Einwirkungen in der X-Richtung durch Torsion in den gebogenen Drahtteilen absorbiert werden. Ein beliebiges Schwingungsmuster wird daher eine Kombination der oben erwähnten Bewegungsmuster sein, wobei die gebogenen Drahtteile mit ihren jeweiligen Federkonstanten zur Ausführung der gewünschten Dämpfung gegenseitig aufeinander einwirken. Physikalisch ist es so, dass die Federkonstante, welche bestimmt, wie eine Feder auf eine Einwirkung reagiert, unterschiedlich abhängig davon ist, ob die gebogenen Drahtteile durch Kompression, Rollen oder Torsion betätigt werden. Der Dämpfer gemäß EP 764 794 und andere vergleichbare Systeme werden deshalb unterschiedlich in Abhängigkeit von der Richtung der Resultierenden der Schwingungen dämpfen, die der Dämpfer entkoppeln soll. In dem Fall, in welchem der von Schwingungseinflüssen zu entkoppelnde Gegenstand fest stehend ist, das heißt unbeweglich, kann es möglich sein, diesen Unterschied im Grad der Dämpfung zu kompensieren, da die Resultierende der Einwirkung eine konstante Richtung durch unterschiedliche Festlegungen aufweist.
Die aus EP 764 794 und NL 9101012 bekannten Systeme können im Allgemeinen als Schwingungsdämpfer mit Einzelfedern bezeichnet werden. Labortests zeigen, dass die so genannten Einzelfedersysteme nur eine Wirkung bei relativ hohen Frequenzen aufweisen, nämlich um 180 Hz herum. Bis zu ungefähr 180 Hz verstärken diese Systeme die von dem Grundteil zu dem schwingungsempfindlichen Gegenstand übertragenen Schwingungen. Für Frequenzen über 180 Hz wird der Dämpfer aktiviert und beginnt den Einfluss von zu dem schwingungsempfindlichen Gegenstand übertragenen Schwingungen zu reduzieren.
Elektronische Geräte finden noch breitere Anwendung und werden ein mehr und mehr in das tägliche Leben integrierter Bestandteil. In einem noch größeren Ausmaß sind unterschiedliche Arten von Elektronik in Fahrzeugen, wie beispielsweise Booten, Schiffen, Zügen, Bussen, Lastkraftwagen, normale Wagen, etc. eingebaut und sind daher Stößen und anderen ungleichförmigen Einwirkungen ausgesetzt. Insbesondere in Bezug auf Stöße sind elektronische Gegenstände oder Geräte, in welchen auch mechanische Komponenten vorhanden sind, besonders ungeschützt. Dieses ist insbesondere der Fall bei CD-Spielern, CD-ROM-Spielern, Hard Disks und ähnlichen Geräten, welche neben sehr empfindlicher Elektronik auch aus sehr empfindlicher Mechanik bestehen. Damit diese Einrichtungen auch optimal betrieben werden können bzw. arbeiten, ist es wünschenswert, die Schwingungsübertragung von dem Fahrzeug/Schiff/Zug/Bus/Wagen selbst und zu dem elektromechanischen Bauteil zu dämpfen.
Insbesondere in Bezug auf Installation von elektronischem Gerät, wie zum Beispiel Hard Disks, CD-ROM Drives oder anderer empfindlicher Gerätschaft in Schiffen, Zügen, Bussen, Fahrzeugen, Flugzeugen und weiteren Einbauorten, wo Schwingungen unter 180 Hz erzeugt werden, das heißt bei relativ niedrigen Frequenzen, sind die Federsysteme des Stands der Technik somit ungeeignet, da sie eine negative Auswirkung auf die gesamte Schwingungsübertragung zu schwingungsempfindlichen Gegenständen aufweisen.
Daher gibt es einen Bedarf zur Schaffung einer Schwingungsdämpferanordnung, die zur Entkopplung von leicht schwingungsempfindlichen Bauteilen von einer Schwingung erzeugenden Grundteil bei relativ niedrigen Frequenzen geeignet ist.
Es ist daher der Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Schwingungsdämpferanordnung zu schaffen, welche im Aufbau einfach und unabhängig von Temperatur ist, welche die Schwingungen gleichförmig in drei wechselseitig zueinander senkrechten Ebenen dämpft und welche die Übertragung von Schwingungen von einem Grundteil zu Gegenständen mit niedrigem Eigengewicht bei relativ niedrigen Frequenzen dämpfen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Zweck mit einer Schwingungsdämpferanordnung der oben erwähnten Ausführung erreicht, welche darin gekennzeichnet ist, dass die Schwingungsdämpferanordnung aus zwei Federn besteht, die in zwei wechselseitig senkrechten Ebenen jeweils angeordnet sind, von denen eine Ebene parallel zu dem Grundteil verläuft, wobei eine erste Feder an dem Grundteil befestigt ist und eine zweite Feder an dem schwingungsempfindlichen Gegenstand befestigt ist, und dass die beiden Federn miteinander verbunden sind.
Mit einem Aufbau gemäß der Erfindung wird erzielt, dass die Federcharakteristik, das heißt die Federkonstante in allen drei Ebenen, weitgehend die gleiche ist. Dieses wird erreicht durch Belastungen und Einwirkungen der Schwingungsdämpferanordnung, welche vorzugsweise in Form von Torsion oder durch Rollen in den gebogenen Drahtteilen absorbiert werden.
In Anbetracht eines gekrümmten/gebogenen Drahtteils in einem XYZ-Koordinatensystem, das mit der Kraft P belastet ist, wobei R ein Radius des Drahtteils ist, werden die folgenden theoretischen Beziehungen zwischen der Kraft P, den Momenten M und dem Drehmoment T erhalten: Gekrümmter, gebogener Draht
Durch Einsetzen der oben gefundenen Ausdrücke für die Momente in den drei Ebenen in der Arbeitsgleichung wird die folgende Beziehung für die Durchbiegung u gefunden:
Es wird nur ein Beitrag von einer Kraftrichtung gleichzeitig betrachtet.
Gebogene Feder, die einer Biegeeinwirkung ausgesetzt ist:
Federkraft, die definiert ist als F = –K1∙xwobei

K₁: die Federsteifigkeit,
x: eine Durchbiegung ist und folgendes gilt:

⁵

²

⁵

²

_p

_t

Die Federsteifigkeit einer gebogenen Feder ist daher
Aus der obigen mathematischen Darstellung wird so offenbar, dass die Federkonstante K ist, wenn ein gebogenes Drahtteil einer Kompressionskraft unterzogen wird; wo das gebogene Drahtteil einem Rollen ausgesetzt wird, beträgt die Federkraft 1/3 K, und wo ein gebogenes Drahtteil in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der gebogenen Feder gebogen wird, das heißt, wobei das Drahtteil einer Torsion ausgesetzt wird, beträgt die Federkraft ungefähr 1/5 K.
Bei erneuter Betrachtung der Systeme des Stands der Technik mit einer Einzelfeder, bei dem es vorzugsweise die Federkraft K ist, welche zur Dämpfung der Schwingungen benutzt wird, da die Dämpfung beim Zusammendrücken des gebogenen Drahtteils auftritt, kann eine Erklärung einer Wirkungslosigkeit des Systems bei Frequenzen unter 180 Hz dadurch erfolgen, dass eine im Wesentlichen größere Einwirkung von Kraft der Feder vorhanden ist, bevor eine Feder mit der Federkonstante K beeinflusst wird, verglichen mit einer Feder mit einer Federkonstante von 1/5 K. Da die Kraft grundlegend als Masse mal Beschleunigung festgelegt worden ist (F = m∙a), wobei hier kleine Massen betrachtet werden, ist es so, dass es die Beschleunigung, das heißt die Amplitude der von dem schwingenden Gegenstand auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand übertragenen Schwingungen, ist, welche eine bestimmte Größenordnung aufweisen muss, damit das Produkt Masse mal Beschleunigung eine solche Größe erreicht, damit die Feder in ihren aktiven Bereich kommt.
Gemäß der Erfindung sind zwei Federn in Ebenen senkrecht zueinander angeordnet, von denen eine Ebene parallel zu dem Grundteil verläuft. Hierbei wird erreicht, dass, wobei Kräfte auf Grund von Schwingungen in einer Richtung auftreten, in welcher eine Feder komprimiert werden soll und so die Federkonstante K aufweist, diese Kräfte als Torsion (1/5 K) oder durch Rollen (1/3 K) in der senkrecht dazu angeordneten Feder absorbiert werden, da das System Belastungen/Einwirkungen in dem nachgiebigsten Abschnitt absorbiert. Da es nachgiebiger ist als ein korrespondierendes Einzelfedersystem, ist dieses System außerdem auch gleich förmiger, da eine Feder mit einer Federkonstante von 1 K niemals aktiviert wird, aber eine Feder mit einer Federkonstante von 1/3 K am meisten aktiviert wird. Der Unterschied zwischen der erforderlichen Kraft in den drei Ebenen wird somit zum Unterschied zwischen 1/3 K und fast 1/5 K, wohingegen der Unterschied bei dem Einzelfedersystem von einer Federkonstante in einer Ebene von 1 K zu einer Federkonstante in einer anderen Ebene von 1/5 K liegt.
Die Schwingungsdämpferanordnung gemäß der Erfindung weist somit in allen drei Ebenen eine im Wesentlichen gleichförmigere Federeigenschaft als die Systeme des Stands der Technik auf.
Drähte bestehen aus einer Anzahl von Strängen, die zu einem fertigen Draht ineinander verflochten sind. Ferner kann jeder einzelne Strang aus einer Anzahl von einzelnen Adern bestehen, die ihrerseits zu einem feinen Strang zusammen verflochten oder verdreht sind.
Beim Rollen, aber insbesondere bei Torsionseinwirkung einer gebogenen Drahtteilfeder wird die Kraft durch Reibung zwischen den individuellen, verdrehten Strängen absorbiert. Dieses ist ein wesentlicher Faktor für die äußerst lange Lebensdauer dieser Art von Federsystem. Bei Versuchen mit einem Federsystem gemäß der Erfindung in einer bevorzugten Ausführung wie unten beschrieben und in den 3 bis 7 illustriert wurde die Prüfung nach einem Testzyklus beendet, der zu mehr als 10 Jahren Benutzung korrespondiert, ohne dass das System veränderte Federeigenschaften oder Zeichen von Materialversagen aufwies.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Stränge aus säurebeständigem rostfreien Stahl bzw. Edelstahl hergestellt, aber auch andere Werkstoffe können zur Herstellung der gebogenen Drahtteile verwendet werden, einschließlich galvanisierter bzw. feuerverzinkter Stahl, verzinkter Stahl, reiner Stahl, Kupfer, Wolfram, Titan, modifizierter Kunststoff, Glasfaser, Kohle- bzw. Karbonfaser, faserverstärkte Kunstharzmaterialien oder unterschiedliche Kombinationen aus geeigneten Werkstoffen. Bei der Auswahl von Werkstoffen ist neben der resultierenden Federeigenschaft die Haltbarkeit der Werkstoffe bei Belastung durch Biegung und Reibung ebenso in Betracht zu ziehen wie auch die Tatsache, dass die unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Biege- und Momenteneigenschaften aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die beiden wechselseitig senkrecht zueinander angeordneten Federn in einem feststehenden Verbindungspunkt verbunden. Durch Feststellen des Verbindungspunktes, zum Beispiel durch Befestigung von zwei Laschen über den gebogenen Drahtteilen, wird erreicht, dass die sich aus den Schwingungen ergebenden Kräfte als reine Resultierende auf die aktivierte Feder übertragen werden. Damit ist gemeint, dass in der Übergangszone von einer Feder in einer Ebene zu einer anderen Feder in einer Ebene senkrecht dazu ein teilweises Rollen der Feder, bevor die Kraft absorbiert ist, sowie Torsion nicht vorkommt, aber dass die feststehende Verbindung zwischen den beiden Federn sicherstellt, dass es reine bzw. unvermischte Einwirkungen gibt, das heißt, entweder nur Torsion oder nur Rollen in der Feder.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Schwingungsdämpferanordnung acht Federn auf, wobei die Federn in Paaren in einer Ebene und annähernd senkrecht zueinander angeordnet sind, und dass die vier Federpaare zur Halterung eines schwingungsempfindlichen Gegenstands in Bezug auf ein Grundteil bzw. eine Basis angeordnet sind. Weiterhin können die Federpaare dergestalt angeordnet sein, dass die gebogenen Drahtteile in einer annähernd geraden Ebene liegen, welche parallel zu der Ebene des Grundteils angeordnet ist.
Dieses System ist sehr vorteilhaft, da eine sehr gleichmäßig Federeigenschaft für das gesamte System erzielt wird. Wo ein Unterschied in der Federkonstante von 1/3 K zu ungefähr 1/5 K bei einem System mit zwei gebogenen Drahtteilen erreicht wird, die wechselseitig senkrecht zueinander angeordnet sind, wird mit einem System wie oben beschrieben ein System mit Federkonstanten von ungefähr 1/5 K bis 1/6 K erzielt – somit eine sehr homogene Schwingungsdämpferanordnung.
Zur Hinzufügung von weiterer Stabilität zu der Schwingungsdämpferanordnung können die vier Federpaare wechselseitig in einer Ebene mittels eines Verstärkungselementes verbunden sein, welches in den Zusammenbaupunkten befestigt ist, wo die beiden gebogenen Drahtteile, die ein Federpaar bilden, verbunden sind. Durch Anordnung eines starren Verstärkungselementes in dem Zusammenbaupunkt der Feder wird erreicht, dass die Einwirkung von der Schwingung gleichmäßig auf die individuellen gebogenen Drahtteile aufgeteilt wird. Hierdurch wird die Federeigenschaft eines jeden individuellen gebogenen Drahtteils besser ausge nutzt, wodurch der Aufbau im Gesamten kleiner und dadurch Raum sparender ausgebildet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführung bilden die gebogenen Drahtteile annähernd einen Halbkreis, oder alternativ einen Vollkreis, wobei es auch möglich ist, die beiden halbkreisförmigen Drahtteile an der Befestigung am Grundteil anzuordnen, wobei das schwingungsempfindliche Bauteil oder der starre Verbindungspunkt jeweils zwischen den beiden Federn auf eine solche Weise angeordnet ist, dass zwei halbkreisförmige gebogene Drahtteile eine Vollkreis bilden. In der Ausführung, in welcher mehrfache Federpaare nebeneinander angeordnet sind, können die Federn aus gebogenem Draht gebildet sein, der in Gestalt einer Acht oder in einer Federversion mit einer beliebigen Anzahl von Windungen so ausgebildet ist, dass ein Drahtteil mehr Biegungen bzw. Kurven und dadurch mehr Federn bildet. Zur Erzielung einer optimalen Dämpfung ist es jedoch wichtig, dass jedes gebogene Teil an der Stelle, wo es jeweils in Kontakt mit dem Grundteil, einem anderen gebogene Teil oder dem schwingungsempfindlichen Gegenstand steht, starr verbunden ist, da die Einwirkungen auf Grund der Schwingungen dadurch auf das gebogene Drahtteil jeweils als Rollen oder Torsion wie oben beschrieben übertragen werden können.
Zur Dämpfung unterschiedlicher Gegenstände mit unterschiedlichem Eigengewicht sowie bei unterschiedlichen Frequenzen, kann es nötig sein, die Eigenschaften der Schwingungsdämpferanordnung zu verändern. Dies kann erfolgen, indem die Auswahl für das Material der Stränge, die Abmessung der Stränge, die Anzahl der Adern in jedem Strang, die Art der auf die Stränge aufgebrachten Oberflächenbehandlung und die Länge und der Grad der Verdrehung der Stränge variiert wird. Unter einem Grad der Verdrehung bzw. Verdrehgrad ist die mechanische Festigkeit zu verstehen, mit welcher die individuellen Adern in dem Strang um einander verdreht worden sind. Außerdem können die Drahtabmessung und die Anzahl von Strängen zusammen mit dem Grad der Verdrehung Parameter sein, welche zur Anpassung der individuellen gebogenen Drahtteile für die Dämpfungsaufgabe variiert werden können, für welche die Schwingungsdämpferanordnung verwendet werden soll.
Wo die gebogenen Drahtteile einer Torsion wie oben beschrieben ausgesetzt sind, wird die Krafteinwirkung von den Schwingungen in den gebogenen Drahtteilen als Reibung zwischen den individuellen Strängen absorbiert. Bei der Werkstoffauswahl ist besondere Beachtung auf die Reibungseigenschaften des Werkstoffs zu legen. Weiterhin scheint es vorteilhaft, die indi viduellen Stränge mit einem Material zu beschichten, das die Reibung reduziert. Insbesondere Teflon scheint ein günstiges Beschichtungsmaterial zu sein. Neben der Tatsache, dass eine sehr lange Standzeit für jedes gebogene Drahtteil bereitgestellt wird, wird das gebogene Drahtteil auch mit einer gleichmäßigeren inneren Reibung versehen, was in einer zeitlich sehr gleichförmigen Federkonstante resultiert.
Wie in der Einleitung erwähnt sollen Dämpfungssysteme eine bestimmte Mindestbelastung aufweisen, bevor die Federn, welche einen Abschnitt des Dämpfungssystems bilden, in ihren aktiven Dämpfungsbereich kommen. Bei Dämpfung von Schwingungen bei relativ niedrigen Frequenzen, das heißt unter 200 Hz, und wobei der von Schwingungen zu entkoppelnde Gegenstand ein sehr leichter Gegenstand, wie zum Beispiel eine Hard Disk ist, kann der Schwingungsdämpfer vorteilhaft vorbelastet sein. Dies bedeutet, dass das System mit einem Eigengewicht zusätzlich zu dem Eigengewicht des Disk- oder des CD-ROM Drive so hergestellt ist, dass es sichergestellt ist, dass die gebogenen Drahtteile, welche die Federn in dem System bilden, in ihren aktiven Bereich gebracht werden.
Die Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen und Diagramme beschrieben, wobei:
1 schematisch eine Schwingungsdämpferanordnung nach dem Stand der Technik illustriert;
2 eine Schwingungsdämpferanordnung gemäß der Erfindung im Prinzip zeigt;
3a eine Dämpfungskurve eines Einzelfedersystems zeigt;
3b ein Einzelfedersystem darstellt;
4a eine Dämpfungskurve für ein Doppelfedersystem gemäß der Erfindung zeigt;
4b ein Doppelfedersystem illustriert;
5a die Dämpfungskurve für ein Doppelfedersystem gemäß der Erfindung illustriert;
5b ein alternatives Doppelfedersystem illustriert;
6a auch eine Dämpfungskurve für ein Doppelfedersystem gemäß der Erfindung illustriert; und
6b ein Doppelfederdämpfungssystem mit einer angebrachten Hard Disk illustriert.
Das Prinzip bei einem bekannten Einzelfedersystem ist in 1 in Übereinstimmung zu den Testanordnungen illustriert, wobei die Dämpfungskurve in 3a und der damit zusammenhängende Testaufbau in 3b illustriert ist.
Der schwingungsempfindliche Gegenstand 1 ist so angebracht, dass die gebogenen Drahtteile 2, in diesem Fall zwei Teile, zwischen dem schwingungsempfindlichen Gegenstand 1 und dem Grundteil 3 angeordnet sind. Es ist vorausgesetzt, dass Schwingungen auf das System über das Grundteil 3 zugeführt werden, welches in dem Federsystem 2 so gedämpft ist, dass der schwingungsempfindliche Gegenstand 1 keinen signifikanten Schwingungen ausgesetzt ist.
Bei Einwirkungen in X-Richtung wird ein Rollen der Feder auftreten. Bei Einwirkung in Z-Richtung aus der oder in die Ebene des Papiers gemäß der schematischen Zeichnung hinein, wird die Einwirkung in den Federn über Biegung und auf diese Weise durch Torsion absorbiert. Torsion wird durch Reibung zwischen individuellen Strängen, aus denen der Draht hergestellt ist, absorbiert.
Bei Schwingungseinwirkungen mit einer in Y-Richtung resultierenden Kraft wird die Schwingungskraft in dem gebogenen Drahtteil als Kompression des Drahtteils absorbiert.
Oben ist mathematisch hergeleitet worden, dass die Federkonstante und dadurch die Fähigkeit der Feder, Schwingungen in unterschiedlichen Richtungen zu dämpfen, dementsprechend wie die Feder beeinflusst wird variiert. So wurde gefunden, dass durch Einwirkung in X-Richtung die Federkonstante ungefähr 1/3 K beträgt, durch Einwirkung in Z-Richtung, wo die Kräfte als Torsion absorbiert werden, lag die Federkraft bei ungefähr 1/5 K, und bei Einwirkungen in Y-Richtung war die Federkonstante vollständig vorhanden. Dieses impliziert, dass die Schwin gungsdämpferanordnung, wie in 1 illustriert ist, in allen drei Ebenen nicht die gleiche Dämpfungseigenschaft aufweist, aber die Eigenschaft wird in Beziehung zu den relativen Federkonstanten variieren. Ein Versuchsaufbau wie in 3 illustriert wurde zur Untersuchung der Dämpfungseigenschaft eines Einzelfedersystems benutzt. Die Testanordnung ist mit einer Grundplatte 3 aufgebaut, welche auf einem Schwingungstisch 4 permanent montiert ist. Der schwingungsempfindliche Gegenstand 1 ist in dem Versuchsaufbau in der Form eines Gewichts vorgesehen, welches zu dem Gewicht einer typischen Hard Disk korrespondiert, nämlich ungefähr 100 g. Ein dünnes Metallblech 5 ist mit dem schwingungsempfindlichen Element verbunden. Zwischen der Basisplatte 3 und dem dünnen Blech 5 ist eine gebogene Drahtfeder 2 angeordnet. Weiterhin ist der Schwingungstisch 4 mit einem Schwingungssensor in Form eines Beschleunigungsmessers (nicht gezeigt) versehen worden, und ebenfalls das obere Blech 5 wurde mit einem Beschleunigungsmesser 6 ausgerüstet. Durch Schwingungen des Schwingungstisches bei verschiedenen Frequenzen wurden Messungen der Schwingungen des Schwingungstisches 4 und des dünnen Blechs 5 mit dem Messgerät 6 ausgeführt. Die resultierenden Kurven sind in 3a illustriert.
Beide, nämlich die X- und Y-Achse sind als logarithmische Achsen dargestellt. Die X-Achse zeigt die Frequenz an, mit welcher der Schwingungstisch in Schwingung versetzt wurde, und die Y-Achse gibt die resultierende Amplitude an, die auf dem dünnen Blech 6 gemessen wurde, das heißt, die Schwingungen, welche auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand übertragen wurden. Die unterste Kurve 8 illustriert die Amplitude der auf den Schwingungstisch aufgebrachten Schwingungen, die über die Schwingungsdämpferanordnung auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand 1 übertragbar sind. Wie aus den Figuren hervorgeht, resultieren die Schwingungen in dem Schwingungstisch, illustriert durch die Kurve 8, darin, dass größere Amplituden und dadurch stärke Schwingungen auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand übertragen werden als wenn der Gegenstand direkt auf dem Schwingungstisch montiert wäre. Nur bei Frequenzen über 180 Hz tritt in den Federn eine Dämpfung auf, wodurch die Amplitude in dem schwingungsempfindlichen Gegenstand und dadurch die Schwingungslast, der dieser ausgesetzt ist, geringer wird als die auf dem Schwingungstisch aufgebrachte Schwingungslast.
2 illustriert das Prinzip bei einer Schwingungsdämpferanordnung gemäß der Erfindung. Der schwingungsempfindliche Gegenstand 1 ist mit einem Grundteil 3 über zwei Federn 2a und 2b in der Form von gebogenen Drahtteilen verbunden. Die Federn 2a und 2b sind iden tisch, aber in wechselseitig zueinander senkrechten Ebenen, dergestalt, dass die Feder 2b in einer Ebene angebracht ist, die parallel mit der Ebene des Grundteils verläuft. Die individuell gebogenen Drahtteile bilden eine ungefähr einzelne Ebene. Wenn die Schwingungsdämpferanordnung mit Belastungen in der X-Richtung beeinflusst wird, wird die Belastung als Rollen in der Feder 2a absorbiert, da eine Kompression der Feder 2a nicht auftritt. Dies ist darin begründet, dass wie oben beschrieben die Federkonstante bei der Kompression einer Feder dieses Typs 1 K beträgt, wohingegen die Federkonstante beim Rollen nur 1/3 K ist. Daher wird das System Einwirkungen in X-Richtungen mit der kleinsten Federkraft absorbieren, das heißt mit Rollen in der Feder 2a. Durch Einwirkung in Y-Richtung wird Feder 2b die Belastung als Biegung und auf diese Weise durch Torsion absorbieren, wobei die Kraft als interne Reibung zwischen den Strängen in dem Draht absorbiert wird. Auf die gleiche Weise wie mit Einwirkungen in X-Richtung ist dies darin in der Tatsache begründet, dass die Federkonstante bei Torsion ungefähr 1/5 K beträgt, wenn Feder 2a komprimiert wird. Auf die gleiche Art und Weise werden Kräfte in Z-Richtung als Biegung und dadurch als Torsion in Feder 2a absorbiert. Wie es aus der schematischen Zeichnung hervorgeht, gibt es eine beachtliche gleichförmigere Dämpfung in einem Aufbau gemäß der Erfindung verglichen mit dem Stand der Technik.
In 4a ist der Dämpfungsvorgang eines wie in 4b illustrierten Aufbaus korrespondierend zu der Erfindung dargestellt, wie die Kurve 10 die an dem schwingungsempfindlichen Gegenstand, in diesem Fall eine Hard Disk wie durch 1 gezeigt, gemessene Amplitude zeigt, und wobei die Kurve 11 die Amplitude des Grundteils in der Form des Schwingungstisches 3 darstellt. Von der Kurve ist ersichtlich, dass der schwingungsempfindliche Gegenstand Schwingungen ausgesetzt ist, die am häufigsten zu einem unbedeutenden Teil von dem korrespondieren, was der Schwingungstisch an das System liefert. Schon bei ungefähr 50...60 Hz beginnt das System aktiv die von dem Grundteil auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand 1 übertragenen Schwingungen zu dämpfen. Bei dem in 4b illustrierten Versuchsaufbau ist der schwingungsempfindliche Gegenstand eine Hard Disk 1, auf welcher ein Beschleunigungsmesser 6 zur Erfassung der auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand 1 übertragenen Schwingungen angebracht ist. Der Schwingungstisch 3 induziert Schwingungen, welche von einem nicht dargestellten Messgerät erfasst werden, die durch die Federn 2a und 2b auf den schwingungsempfindlichen Gegenstand weitergeleitet werden. Auf Grund der Anordnung der Feder ist eine aktive Dämpfung schon bei ungefähr 60 Hz wirksam.
Neben den beiden Drahtteilen 2a und 2b, die in wechselseitig zueinander liegenden Ebenen angeordnet sind, weist die Schwingungsdämpferanordnung weiterhin drei in korrespondierender Weise in Paaren angeordnete gebogene Drahtteile auf. Jedes Paar von gebogenen Drahtteilen ist miteinander über ein feststehendes Verbindungselement 12 verbunden. Jedes der vier gebogenen Drahtteile, die in Paaren angeordnet sind, ist über ein Verstärkungselement 13 verbunden, welches an den in Paaren gebogenen Drahtteilen in ihrem feststehenden Verbindungspunkt 12 befestigt ist.
Die feststehenden Verbindungspunkte 12 dienen zur Halterung der gebogenen Drahtteile in Ebenen, die annähernd senkrecht zueinander liegen. Durch Festlegung der gebogenen Drahtteile in Beziehung zueinander wird es erreicht, dass die Schwingungseinwirkungen in den Federn als reine Resultierende absorbiert werden, das heißt durch Rollen oder Torsion. Hierbei ist es sichergestellt, dass das System wirklich den theoretischen Dämpfungsgrad erlangt, für den es konstruiert ist.
Das Verstärkungselement 13 dient zur gleichmäßigen Aufteilung der Einwirkungen von den Schwingungen von dem Grundteil auf die Federn in der Schwingungsdämpferanordnung. Wenn die Schwingungsdämpferanordnung auf einem Schwingungsgrundteil bzw. einer Schwingungsbasis aufgebracht ist, zum Beispiel in einem Zug, in einem Bus, in einem Auto oder an Bord eines Schiffs oder Flugzeugs, ist es nicht wahrscheinlich, dass die Schwingungen ganz gleichförmig auf alle Federn übertragen werden, die einen Abschnitt der Schwingungsdämpferanordnung bilden. Dadurch werden durch Einbau einer Verstärkungsplatte 13 diese Unterschiede bis zu einem bestimmten Grad so egalisiert, dass individuelle Federn in dem System im Wesentlichen nicht mehr belastet werden als andere Federn.
Die meisten elektronischen Gegenstände sind gegenüber Schwingungen empfindlich, insbesondere elektronische Gegenstände, bei denen eine mechanische Bewegung vorkommt, wie zum Beispiel in Hard Disks oder CD-ROM Drives. Deshalb ist dieses System insbesondere geeignet, Schwingungen für diese leichten Gegenstände zu dämpfen, da das System Schwingungen bei niedrigen Frequenzen auf eine gleichförmige Art und Weise dämpfen kann, sogar für relativ leichte Gegenstände, wie beispielsweise Hard Disks und CD-ROM-Spieler bzw. -Players.
Da das Dämpfungssystem zur Dämpfung von Schwingungen bei niedrigen Frequenzen für sehr leichte elektronische Gegenstände wie oben beschrieben ausgelegt ist, kann das Dämpfungssystem durch externe Kräfte ungünstig beeinflusst werden. Deswegen sind insbesondere die Drähte und Kabel mit eingeschlossen, welche herkömmlicherweise mit elektronischen Komponenten verbunden werden, die in den Federdämpfer eingebaut werden sollen. Bei den oben beschriebenen Laborversuchen wurden hochflexible Verbindungskabel des Typs „Superflex" benutzt, wobei jedes Kabel aus hunderten von ultradünnen Strängen besteht. Neben der sehr hohen Flexibilität sieht der Aufbau des Einzelkabels vor, dass sie eine sehr lange Lebensdauer aufweisen, wobei kein Ermüdungsbruch auf Grund der wenigen Schwingungen auftritt, die zu dem elektronischen Gegenstand übertragen werden. Weiterhin zeigten die Versuche, dass die ultraflexiblen Drähte keinen Einfluss auf die Dämpfungseigenschaften des schwingungsempfindlichen Gegenstands haben.
Die Federn bestehen aus gebogenen Drahtteilen. Jede Feder kann aus einem Drahtteil bestehen, das zu einem geschlossenen Kreis gebogen und in einem Verbindungsteil wie oben gezeigt befestigt ist. Außerdem kann ein gebogenes Drahtteil einen Halbkreis bilden, wobei es mit einer feststehenden Verbindung an beiden Endbereichen des Drahts verbunden ist. Die feststehende Verbindung kann in der Form von zwei Laschen ausgebildet sein, welche um das gebogene Drahtteil herum befestigt sind, wobei die Laschen um den Draht herum zusammengeklemmt sind, um ihn zu sichern bzw. festzulegen. In alternativer Weise kann ein Loch von geeigneter Größe in der Zusammenbauplatte eingebracht werden, wonach das Ende des Drahtteils in dem Loch angeordnet wird, und ein geeigneter Kleber zur Sicherung bzw. Befestigung des Drahtteils in dem vorgebohrten Loch aufgebracht wird.

Claims

Schwingungsdämpferanordnung zur Lagerung schwingungsempfindlicher Gegenstände (1), insbesondere elektromechanische Gegenstände, wie z.B. Hard Disks, Floppy Disk Drives, CD-Rom Drives und dergleichen, bezüglich eines Grundteils (3), mit Federn (2) in der Form von befestigten gebogenen Drahtteilen, von denen jedes aus einer Zahl von verdrillten Strängen aufgebaut ist, wobei jedes gebogene Drahtteil (2a, 2b) annähernd in einer Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdämpfungsanordnung aus zwei Federn (2a, 2b) besteht, die in zwei wechselseitig senkrechten Ebenen jeweils angeordnet sind, von denen eine Ebene parallel zu dem Grundteil (3) verläuft, wobei eine erste Feder (2b) an dem Grundteil (3) befestigt ist und eine zweite Feder (2a) an dem schwingungsempfindlichen Gegenstand (1) befestigt ist, und dass die beiden Federn (2a, 2b) miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Feder (2a, 2b) die Belastung durch Rollen oder Torsion entgegen der beeinflussten gebogenen Drahtteile absorbiert.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge der gebogenen Drahtteile aus einem säurefesten rostfreiem Stahl, galvanisierten Stahl, verzinkten Stahl, reinem Stahl, Kupfer, Wolfram, Titan, modifiziertem Kunststoff, Glasfaser, Karbonfaser, faserverstärktem Kunstharzmaterialien oder eine Kombination aus zwei oder mehr dieser Materialen bestehen.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt (12) zwischen zwei großen wechselseitig zueinander senkrecht verlaufenden Federn (2a, 2b) als steife Verbindung ausgebildet ist.
Anordnung nach einem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch Vorsehen von acht Federn, wobei die Federn paarweise in einer Ebene und annähernd senkrecht zueinander angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen Drahtteile in zwei annähernd wechselseitig senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen angeordnet sind, von denen eine Ebene parallel zu dem Grundteil verläuft.
Anordnung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen Drahtteile annähernd einen Halbkreis bzw. die beiden gebogenen Drahtteile einen vollen Kreis und eine bestimmte Überlappung bezüglich der Montage bilden oder dass die beiden Drahtteile, die nebeneinander angeordnet sind, fortlaufend, beispielsweise in der Form des Bildes einer Acht, gestaltet sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstante der Feder (2a, 2b) durch Einstellen eines oder mehrerer der folgender Parameter veränderbar ist: Material und Dicke der Stränge, Zahl von Adern in jedem Strang, Oberflächenbehandlung, Länge, Verdrehgrad der Stränge und der Abmessung des Drahtes, Zahl der Stränge und Größe der Verdrehung.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung der Schwingungsdämpfungsanordnung zum Dämpfen von weniger schwingungsempfindlichen Gegenständen (1) das Federsystem (2) durch Aufbringen einer Extralast auf den kleineren Gegenstand vorbelastbar ist, z.B. durch Montieren des Federstands auf einer Stahlplatte mit einem gut definierten Gewicht, wobei der Gegenstand und die Platte zusammen ein minimales gut definiertes Gewicht erreichen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtteile jeweils an den Verbindungsstellen (12) an dem Grundteil oder an dem schwingungsempfindlichen Gegenstand durch Befestigung mit Laschen, Schrauben oder durch Kleben oder Löten in vorgebohrte Löcher entsprechend dem Durchmesser des Drahtes befestigt sind.