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Die
Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Schwingungsisolator
und ist besonders auf einen hybriden, mit einer Elastomer-Metall
federversehenen Schwingungsisolator, der bei Nennbelastung eine
niedrige Eigenfrequenz aufweist.
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Obgleich
dieser Isolator für
eine Vielzahl von Anwendungsfällen
gedacht ist, weist er insofern bei der Lagerung großer Dieselmotoren
besondere Vorteile auf, als die Übertragung
niederfrequenter Schwingungen des Motors auf dessen Tragkonstruktion
auf ein Mindestmaß beschränkt oder
ganz beseitigt wird. Besondere Einsatzmöglichkeiten für derartige
Dieselmotoren betreffen solche für
Lokomotiven und Fischkutter, allerdings nicht ausschließlich.
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Nach
gegenwärtiger
Praxis bei der Lagerung großer
Dieselmotoren, denen in gewissen Fällen Getriebeeinheiten, Generatoren
und Hilfsaggregate zugeordnet sind, kann es sich um Gewichte bis
zu 30 Tonnen handeln, so daß ein
tragendes Deck geschaffen ist, das eine positive Kammer aufweist
(d. h., es ist in der Mitte nach oben gewölbt). Dies dient dazu, die
senkrechte Ausbiegung aufzufangen, die dann stattfindet, wenn die
Motoranordnung auf dem Deck positioniert wird. Diese positive Kammer
erschwert erheblich die Herstellung von Tragkonsolen für den gesamten
Motor. Die Plattform muß bis
zu ihrer größten Krümmung durchgebogen
werden, bevor die Konsole hergestellt werden kann. Die Ausrüstung und
die Werkzeuge zur Vereinfachung einer derartigen Lagerungskonsol-Herstellung
sind schwer, kompliziert und teuer. Darüber hinaus ist der Einsatz
einer solchen Ausrüstung
zeitaufwendig und arbeitsintensiv und erfordert zur Komplettierung
wenigstens einige Tage.
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Gewisse
Einbauten für
die Motoranordnung verwenden Elastomerlager mit Eigenfrequenzen
von 7 Hz oder höher.
Da große
Dieselmotoren mit Betriebsdrehzahlen im Bereich von 200 bis 2000
Upm arbeiten, fallen Leerlauferregungen im allgemeinen in den Bereich
von 6 bis 10 Hz. Da die Eigenfrequenz des Lagersystems für derartige
Maschinen im Bereich der Leerlaufdrehzahl-Erregungen liegt, kann die
Erregung der Aufhängung
bzw. Lagerung bei Eigenfrequenz (Resonanz) eintreten, sobald der
Dieselmotor sich im Leerlauf befindet. Resonanzbetrieb aber hat
nicht nur zur Folge, daß die
volle Übertragung
der Motorschwingung auf den Träger
stattfindet, wie dies bei fester Lagerung des Motors der Fall ist,
sondern kann tatsächlich
die Schwingungserregung bis zum 10fachen des Ansprechniveaus einer hartgelagerten
Motoranordnung erhöhen.
Offensichtlich kann eine solche Verstärkung unerwünschte Wirkungen haben, so
daß eine
wichtige Konstruktionsforderung darin besteht, die Eigenfrequenz
des Systems möglichst
außerhalb
der Betriebsfrequenz des Motors zu halten oder, falls dies nicht
möglich
ist, auf einer Frequenz (beispielsweise 3 bis 8 Hz), die der Motor
während
der Anlaufphase schnell durchläuft, so
daß der
Aufbau von schädlichen
harmonischen Schwingungen verhindert wird.
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Elastomerisolatoren,
die Eigenfrequenzen im Bereich von 3 bis 5 Hz erzeugen, haben eine
hohe statische Ablenkung mit zugehörigem Kriechen und Abdriften,
die sie für
gewisse Dieselmotoranwendungen ungeeignet machen, wo nur eine kleinere
(1 Zoll oder weniger) Relativverschiebung toleriert werden kann,
und zwar aufgrund der Verbindungen mit zugehöriger zustromseitiger und abstromseitiger
Hardware (beispielsweise Lufteinlaßleitungen, Auslaßleitungen,
Kraftstoffleitungen, hilfsweise elektrische Stromverbindungen, Preßluftleitungen).
Das Problem wird noch weiter verschärft durch die Tatsache, daß die Art
und Weise, in der diese herkömmlichen Elastomerblöcke auf
der Plattform gelagert und an der Motoranordnung angebracht sind,
die richtige Einstellung oder Quasieinstellung der Lagerung erschwert.
Ohne eine gewisse Form der Einstellung bei einer niedrigfrequenten
Aufhängung
sind die translatorischen und rotatorischen Reaktionen normalerweise
gekoppelt (aufgrund der Tatsache, daß die Lager weit unter dem
Gewichtsmittelpunkt der Anordnung liegen, wodurch sich noch größere unerwünschte Hin-
und Herbewegungen des Motors einstellen).
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Die
US-A-2 189 708 beschreibt einen Schwingungsisolator, der eine Korkplatte
aufweist, in der sich eine Anzahl Aussparungen befindet, die entsprechende
Federn aufnehmen, so daß diese
zwischen einer Platte im Kork und einer Platte eingebettet sind,
die an die obere Oberfläche
des Korks anstößt. Durch
die obere Platte wird eine Vorspannung aufgebracht.
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Die
GB-A-1 332 669 zeigt einen hybriden Elastomer- und Metall-Feder-Schwingungsisolator gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Dieser Isolator ist für die Abstützung einer großen Verbrennungskraftmaschine
und die Isolierung ihrer niederfrequenten Schwingungen geeignet.
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Der
hybride, aus Elastomer und Metall bestehende, federbelastete Schwingungsisolator
der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Er
eignet sich für
ein Isolationssystem mit einer niedrigen Eigenfrequenz (beispielsweise
3 bis 5 Hz). Der Isolator weist ein elastomeres Sandwichlager auf,
das einen großen
Elastomerteil besitzt, der wahlweise zwischen der ersten unteren
und der zweiten oberen Metallplatte angebracht ist. Der Elastomerteil hat
mehrere ausgehöhlte
Taschen zur Aufnahme von schraubenförmigen Metallfedern. Die oberen
und unteren Platten sind mit Hohlräumen versehen, die vorzugsweise
spritzgegossen sind und sich durch die Mitte der Federn in die ausgehöhlten Taschen
erstrecken. Die vorspringenden Stirnflächen der Hohlräume sind
vorzugsweise mit einer Elastomerschicht beschichtet, die Kissen
bildet, welche in Kompressionsrichtung einen Dämpfungseffekt haben. Die Schraubenfedern
wirken auf die unteren Oberflächen
der oberen und unteren Platten, wobei ein schützender Tragsitz für die obere
Platte vorgesehen ist, um das mit dieser verbundene Elastomer zu
schützen.
Die Schraubenfedern sind mit einer anfänglichen Vorspannung versehen,
um das statische Gewicht der abgestützten Vorrichtung vollständig zu
tragen, so daß auf
das Elastomer nur die dynamische Belastung einwirkt. Dadurch wird
die Lebensdauer des Isolators wesentlich verlängert, indem die dynamischen
Dehnungs- und Zugspannungskräfte auf
das Elastomer verkleinert werden.
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Eine
Spannschraube mit einer Länge,
die größer ist
als der normale Abstand zwischen den Hohlräumen der oberen und unteren
Platten, ist mit einem Paar lastübertragenden,
metallenen Unterlegscheiben versehen, die die elastomerbeschichteten Dämpfungsoberflächen berühren, welche
wiederum dazu dienen, eine kissenartige, dämpfende Relativbewegung zwischen
den oberen und unteren Platten des Sandwichlagers in Ausdehnungsrichtung
zu schaffen. Dazu kommt, daß die
inneren beschichteten Oberflächen
das von der Metall-zu-Metall-Berührung
herrührende
Geräusch
verringern, das sonst zwischen der Spannschraube und den blanken
Oberflächen
der Hohlräume
entsteht. Diese Spannschraube und ihre zugehörige Befestigungsmutter bilden eine
erste Stufe der Schraubenfedervorspannung für den Isolator und begrenzen
außerdem
die relative Verlängerungsschwankung
und halten auch die Anordnung zusammen. Eine spezielle Halterungsmutter,
die mit einem vorspringenden Ende der Spannschraube in Eingriff
steht, erzeugt die Vorspannung der Metallfedern auf eine zweite
höhere
Spannungsstufe, die im wesentlichen gleich der statischen Belastung
ist, die von dem Isolator getragen wird. Diese Halterungsmutter
kann, bevor der Motor auf der Isolatorplatte installiert wird, entfernt
werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1A eine
quergeschnittene Seitenansicht eines hybriden, aus Elastomer und
Metall bestehenden, federbelasteten Schwingungsisolators, längs der
Linie A-A in 1C;
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1B eine
quergeschnittene Stirnansicht des Isolators längs der Linie B-B in 1C;
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1C eine
Draufsicht des Isolators von 1A;
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2 eine
Seitenansicht des erfindungsgemäßen Isolatorsystems,
das einen Dieselmotor trägt; und
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3 eine
Stirnansicht des Isolatorsystems mit dem gemäß 2 plazierten
Motor.
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Ein
erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des
hybriden, aus Elastomer und Metall bestehenden, federbelasteten
Isolators ist in den 1A, 1B und 1C allgemein
mit 20 bezeichnet. Wie am besten aus 1A ersichtlich,
weist der Isolator 20 ein Sandwichlager 22 auf,
das aus einem großen
Elastomerteil 24 zusammengesetzt ist, der zwischen der
ersten unteren Metallplatte 26L und der zweiten oberen
Metallplatte 26U angeordnet ist. Die Platten 26L und 26U sind
vorzugsweise mit der unteren bzw. oberen Oberfläche des Elastomerteils 24 verbunden.
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Der
Elastomerteil 24 weist mehrere ausgehöhlte bzw. kegelförmige Taschen 28 auf,
von denen in 1A drei an der Zahl dargestellt
sind. Die tatsächliche
Anzahl der Taschen kann zwischen zwei und fünf variieren, und zwar in Abhängigkeit
von den jeweiligen Anwendungserfordernissen, wobei drei für diese
besondere Verwendung bevorzugt sind. Die Form der Taschen 28 ist
im allgemeinen kegelstumpfartig, wobei sie sich von oben nach unten
nach außen
erweitert. Man erkennt, daß für bestimmte
Anwendungsfälle
die Taschen 28 auch zylindrische Form aufweisen können. Die
erste Mehrzahl der Taschen 28 nimmt eine zweite gleicher
Anzahl metallener Schraubenfedern 30 auf, die zwischen
den unteren Oberflächen
der Platten 26L und 26U wirken. Ein runder Federsitz 31 verhindert, daß die Schraubenfeder 30 in
dem Elastomerteil 24 einen Spannungsriß bewirkt. Die Schraubenfedern 30 sind
so gebaut, daß sie
die statische Last des getragenen Körpers voll aufnehmen, also
im Falle eines Dieselmotors das (typische) Gewicht von 30 Tonnen
dieses Systems. Das Elastomer im Teil 24 steht nicht unter
statischer Belastung, wodurch die Spannungen erheblich vermindert
werden und damit die Lebensdauer des Elastomers verlängert wird.
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In
dem Anwendungsfall, in dem der Schwingungsisolator 20 als
Teil eines Systems zur Lagerung eines großen Dieselmotors verwendet
wird, indem die Eigenfrequenz (SNF) des Systems auf einen Bereich
zwischen 3 und 5 Hz abgesenkt wird, wird die SNF aus dem Leerlaufdrehzahlbereich
des Dieselmotors in einen Drehzahlbereich verlagert, in dem der
Motor schnell die Anlaufphase durchläuft. Dadurch werden mögliche aufrechterhaltende
Systemresonanzen und der schädliche
Aufbau von Kräften, die
mit diesen verbunden sind, im wesentlichen beseitigt.
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Die
unteren und oberen Platten 26L und 26U sind mit
mehreren extrudierten Hohlräumen 32 versehen,
die in Taschen 28 sitzen, und zwar innerhalb der Federn 30.
Die Hohlräume 32U sind
mit der Platte 26U, wie gezeigt, in einem Teil spritzgegossen, während die
Hohlräume 32L in
der Platte 26L getrennt ausgeformt sind, und ihre Flansche 36L in
Vertiefungen 34 sitzen, so daß sie mit der äußeren Oberfläche der
Platte 26L bündig
sind. Die Hohlräume 32 sind,
wie dargestellt, umgekehrt kegelstumpfförmig geformt, können jedoch
für gewisse
Anwendungsfälle
auch zylindrisch sein. Die umgekehrt kegelstumpfförmige Form
wird zur Minimierung der Teileberührung während der Relativbewegung der
zugehörigen Teile
bevorzugt. Die vorstehenden Enden der Hohlräume 32L und 32U sind
mit einer Schicht 38L, 38U aus Elastomermaterial
versehen, das mit ihnen verbunden ist, um eine abgefederte Dämpfung der
Kompressionsbewegung zu erzeugen. Die erste Stufe der Kompressionsbewegung
wird durch die hybride Elastomer-Metallfeder 20 gedämpft, wobei
eine gewisse Energie in Wärme
verwandelt wird, während
der Hauptteil der Energie im System durch die Verstärkungswirkung
der hybriden Feder zurückgeführt wird. Für den Fall,
daß die
Stoßbewegung
oder Schwingung des Motors eine Abwärtsbewegung der oberen Platte 26U in
Richtung auf die untere Platte 26L bewirkt, die über das
konstruktiv vorgesehene Maximum hinausgeht, beispielsweise 0,95
cm, werden die Elastomerschichten 38L und 38U die
Dämpfungswirkung
der entgegengesetzten vorstehenden Enden der Hohlräume 32L und 32U abfedern,
um dadurch die Stoß-
oder Erschütterungswir kung
zwischen den Flächen
auf ein Mindestmaß zu
beschränken
und die gesamte senkrechte Ausbiegung auf etwa 1,27 cm zu begrenzen.
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Durch
die Löcher
in den Enden der Hohlräume 32 erstrecken
sich mehrere Spannbolzen 40 und befestigen die lösbaren oberen
Hohlräume 32L an der
Isolatoreinrichtung 20. Doppelsicherungsmuttern 42 sind
bis zu einer bestimmten konstruktiven Entfernung vom Bolzenkopf 41 auf
die Bolzen aufgeschraubt. Diese Entfernung ermöglicht eine maximale Ausdehnung
von der Isolatoreinrichtung 20 und ist mit einem bestimmten
Vorspannunspegel der Schraubenfedern 30 verbunden. Ein
Paar stählerne Unterlegscheiben 44L und 44U dienen
zur Begrenzung der Bewegung der Platte 26U in Ausdehnungsrichtung.
Die unteren Hohlräume 32L, 32U sind
mit einer Elastomerschicht 46 beschichtet, um dadurch für den durch
die Unterlegscheiben 44L und 44U bei ihrer Bewegungsbegrenzung
in Ausdehnungsrichtung erzeugten Stoßeffekt eine Abfederung zu
schaffen. Für
den Fall, daß der
abgestützte
Körper
die Platte 26U veranlaßt,
sich über
die Konstruktionsentfernung hinaus zu bewegen, beispielsweise 1,27
cm nach oben, tritt jede Unterlegscheibe 44L und 44U mit
ihrer entsprechenden Beschichtung 46 in Berührung, um
dadurch die Stoßwirkung
dieser Relativbewegung abzufedern. Darüber hinaus ist der Längsumfang
der unteren Platte 26L mit einem Paar Verstärkungsrippen 45 versehen,
die der Biegung der unteren Platte 26L Widerstand entgegensetzen,
sobald auf den Isolator 20 nach oben gerichtete (Ausdehnungs-)Kräfte einwirken.
Dazu kommt, daß die Beschichtung 46 von
der Metall-auf-Metall-Berührung zwischen
dem Bolzenkopf 41 und den Sicherungsmuttern 42 mit
dem Inneren der Hohlräume 32L bzw. 32U herrührende Klirrgeräusche verhindert.
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Die
die Vorspannung haltenden Muttern 48 sind an denjenigen
Teilen der Bolzen 40 angeordnet, die sich über die
Sicherungsmuttern 42 hinaus erstrecken. Jede Haltemutter 48 ist
auf ihrer Plattenberührungsoberfläche mit
einem Zapfen 49 versehen, um die Zentrierung im Hohlraum 32U zu
erleichtern. Sobald sie in Berührung
treten, spannen die Haltemuttern 48 die Federn 30 vollständig in
einem Ausmaß zwischen
50 % und 100 % der statischen Belastung, die auf den Isolator 20 einwirkt,
vor. Sobald sich die Isolatoren auf dem Deck 11 (3)
in Position befinden und mittels Schraubbolzen (nicht gezeigt),
die durch die Löcher 50 greifen,
in der unteren Platte 26L so befestigt sind, daß sich die
Hohlräume 32L nicht verschieben
können,
werden die Haltemuttern 48 entfernt. Der Federisolator 20 dehnt
sich so weit aus, wie dies die Befestigungsmuttern 42 zulassen,
und zwar aufgrund der in den Schraubenfedern 30 gespeicherten
Kraft. Diese Ausdehnung ge schieht von dem ersten Vorspannungsniveau
(vorzugsweise ein Betrag, der gleich der gesamten statischen Belastung
ist) bis zu einem geringeren Vorspannungsniveau, das durch die Lage
der Befestigungsschrauben 42 auf den Bolzen 40 bestimmt
ist. Der abgestützte
Körper 13 ist
dann auf den Isolatoreinrichtungen 20 positioniert und
an ihnen durch in die Löcher 42 in
der oberen Platte 26U greifende Bolzen befestigt. Die Isolatoren 20 kehren
in ihre vollständig
belastete Stellung zurück.
Wie bereits erwähnt,
werden dadurch die Elastomerteile 24 ohne jegliche statische Belastung
belassen (vollständig
entlastet).
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Die 2 und 3 zeigen
mehrere Paare Isolatoren 20, die zur Abstützung bzw.
Aufhängung eines
30-Tonnen-Dieselmotors 13 Verwendung finden. Derartig große Motoren
werden in Lokomotiven und Schiffen verwendet. Die Längsachsen
oder Kraftreaktionslinien der Isolatoren sind normalerweise von
der Senkrechten um einen Betrag zwischen 20 und 30° (3)
geneigt, um dadurch die Isolatorkraftreaktionslinien quasi zu fokalisieren
und damit die translatorischen und rotatorischen Reaktionen zu entkuppeln.
Die volle Fokussierung erfordert, daß die Kraftreaktionslinien
in Bezug auf die Vorder- und Hinterachsen und Seitenachsen geneigt
werden sowie alle drei Drehrichtungen von ihren entsprechenden translatorischen
Richtungen getrennt werden. In diesem Fall wird nur die quasi Fokussierung
benötigt, und
so sind die Reaktionslinien in Bezug auf die senkrechte Achse nur
geneigt, um zu bewirken, daß die
seitliche Schwingungsbewegung des Dieselmotors 13 von der
Rollbewegung um seine Längsachse abgekuppelt
wird. Die Isolatoren 20 sind auf jeder Seite des Motors
längs der
Mittellinie in gegenüberliegenden
Paaren angeordnet, wie dies in 2 gezeigt
ist, wo fünf
Isolatorpaare Verwendung finden. Die erforderliche Anzahl ändert sich
mit dem jeweiligen Motor 13. Die obere Oberfläche 27 der
oberen Platte 26U hat einen Neigungswinkel, der gleich
dem Fokussierungswinkel ist, so daß die Oberfläche 27 sich
waagerecht erstreckt, um mit der unteren Oberfläche eines Befestigungsflügels 15 des
Motors 13 in Berührung
zu treten. Die eingeschnittenen Löcher 52 sind in die
obere Platte 26U unter einem komplementären Winkel eingebohrt, so daß die Befestigungsbolzen
(nicht gezeigt) senkrecht in ihren Befestigungsflügel 15 für den Isolator 20 eingeschraubt
werden können.
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Infolge
dessen schwebt der abgestützte
Motor 13 auf dem hybriden, aus Elastomer und Metall bestehenden,
federbelasteten Schwingungsisolator 20, wobei das Elastomer 24 und
die Schraubenfeder 30 frei auf Schwingungskräfte dynamisch
reagieren können,
so daß,
wenn überhaupt,
nur geringfügige Schwingungen
auf den Isolator übertragen
werden, und sollten irgendwelche Schwingungen als Folge einer Berührung von
entweder kompressiver oder verlängerbarer
Dämpfer übertragen
werden, dann wird eine solche Berührung abgefedert. Kompressionsdämpfer in
Form von elastomeren Dämpfungsschichten 38L und 38U auf
den vorstehenden Enden der Hohlräume 32L bzw. 32U zusammen
mit Verlängerungsdämpfern in
Form von Spannbolzen 40, die durch metallene Unterlegscheiben 44L und 44U,
welche mit Elastomerschichten 46 in Berührung stehen, abgefedert werden,
begrenzt die tatsächliche
Gesamtbewegung des Motors 13 auf 1,27 cm oder jeden anderen
gewünschten
Wert für
die beschränkte Bewegung.
Die Dämpfung
der Anordnung 20 wird weiter dadurch verstärkt, daß eine konstruktive
Eigenfrequenz im Bereich von 3 bis 5 Hz geschaffen wird und damit
einen Bereich in der so gelagerten Motor während der Aufwärmphase
kurz durchläuft, wobei
der schädliche
Aufbau von Resonanzschwingungen ausgeschlossen wird.
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Vielfältige Änderungen,
Alternativen und Modifikationen sind für den Fachmann aufgrund der
obigen Beschreibung möglich,
wobei beabsichtigt ist, daß derartige Änderungen,
Alternativen und Modifikationen in den Schutzbereich des Anspruchs
1 fallen und damit Teil der Erfindung sein sollen.