DE102004011896A1

DE102004011896A1 - Schwingungsisolator

Info

Publication number: DE102004011896A1
Application number: DE200410011896
Authority: DE
Inventors: Süleymann Dr.-Ing. Güney
Original assignee: ISOLOC SCHWINGUNGSTECHNIK GmbH
Current assignee: ISOLOC SCHWINGUNGSTECHNIK GmbH
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: DE102004011896B4; DE102004011896B8

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsisolator (1) mit einer zwischen voneinander beabstandeten Halteelementen (30, 31) positionierten Elastomerkörperanordnung (10, 11, 12) und einer Federanordnung (20), wobei ein Halteelement (30) mit einem zu isolierenden Gegenstand koppelbar ist. Eine vorteilhafte Schwingungsisolierung insbesondere bei Maschinen mit bewegten Massen wird dadurch erreicht, dass die Federanordnung (20) als Luftfederanordnung (20) mit mindestens einem eine Federwirkung erzeugenden Luftvolumen ausgebildet ist (Fig. 1). Somit wird die automatische Nivellierung neben der wirksamen Schwingungsisolation möglich. Dabei wird auch die Reaktionszeit aufgrund der zusätzlichen Dämpfung von Elastomeren erheblich reduziert. Damit können die so aufgestellten Maschinen schneller betrieben werden, so dass die Produktivität und Qualität der Maschinen erhöht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsisolator mit einer zwischen voneinander beabstandeten Halteelementen positionierten Elastomerkörperanordnung und einer Federanordnung, wobei ein Halteelement mit einem zu isolierenden Gegenstand koppelbar ist.

Ein derartiger Schwingungsisolator ist in der DE 102 33 023 B3 angegeben. Bei diesem bekannten Schwingungsisolator ist zwischen zwei plattenförmigen Halteelementen, von denen der eine an einem zu isolierenden Gegenstand anbringbar ist, eine Isolationsanordnung aus mindestens einem Elastomerkörper und einer mit diesem zusammenwirkenden Stahlfederanordnung eingebracht. Die Eigenfrequenz des mindestens einen sich über den Abstand zwischen den Halte elementen erstreckenden Elastomerkörpers liegt zwischen 4 Hz und 40 Hz und ist mittels der Stahlfederanordnung herabgesetzt auf einen Bereich zwischen 1 Hz und 5 Hz. Mit diesen Maßnahmen ergibt sich ein kompakter, gut handhabbarer Aufbau mit tiefen Eigenfrequenzen und einer vorteilhaften Wirksamkeit in allen Raumrichtungen. Es können jedoch auch Schwingungsprobleme insbesondere bei zu isolierenden Maschinen oder ähnlichen Geräten auftreten, die mit einem derartigen Schwingungsisolator nicht optimal beseitigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungsisolator bereitzustellen, der insbesondere in Verbindung mit bewegliche Massen aufweisenden Gegenständen, etwa Werkzeugmaschinen oder dgl., aber auch anderen Gegenständen, wie Prüfgeräten oder dgl., bei vorteilhaften Ankopplungsmöglichkeiten mit möglichst einfachen Maßnahmen eine optimierte Schwingungsisolation erreichen lassen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass die Federanordnung als Luftfederanordnung mit mindestens einem eine Federwirkung erzeugenden Luftvolumen ausgebildet ist.

Mit diesen Maßnahmen können vertikale Schwingungen mit Unterstützung der Luftfederanordnung vorteilhaft isoliert werden, während mittels des Elastomerkörpers auch eine genügende Schwingungsisolation in horizontaler Richtung sichergestellt ist. Sind beispielsweise unter einem Gegenstand mit beweglichen Massen mehrere derartige Schwingungsisolatoren angeordnet, kann insbesondere durch die Luftfederanordnung zudem eine unterschiedliche Schwingungsisolation im Bereich der verschiedenen Schwingungsisolatoren bewirkt und somit insgesamt die Umgebung der Maschine gegen von dieser ausgehenden Schwingungen (Quellenisolation) geschützt werden. Umgekehrt kann in entsprechender Weise auch der Gegenstand gegenüber außen auftretenden Schwingungen (Empfängerisolation) mit einem derartigen Schwingungsisolator vorteilhaft geschützt werden.

Mit diesem Schwingungsisolator können die darauf gelagerten Maschinen neben der optimal wirksamen Schwingungsisolation automatisch justiert werden.

Die Erfindung geht dabei von folgenden Überlegungen aus: bei einer Schwingungsisolation soll es so sein, dass die von einer schwingungsisoliert aufgestellten Maschine ausgehenden Kräfte bzw. die dadurch hervorgerufenen Schwingungen reduziert werden. Bei der Auslegung einer Schwingungsisolation besteht eine Vorgehensweise in der Praxis darin, dass man die zu isolierende Maschine in dem betrachteten Frequenzbereich als einen starren Körper idealisiert, der dann auf den elastischen Elementen gelagert wird. In der Praxis wird die auf solchen Elementen gelagerte Maschine für die vertikalen Bewegungen als ein Ein-Freiheits-Grad-Schwinger modelliert.

In Abhängigkeit der zu isolierenden Frequenzen können die Isolationselemente ausgelegt werden, denn die Schwingungen werden ab der Frequenz √2 × Eigenfrequenz isoliert. Dies bedeutet, dass der Isolationsgrad mit tiefer werdender Eigenfrequenz besser wird. Da aber die Amplituden der elastisch gelagerten Maschine mit tiefer werdender Eigenfrequenz größer werden, sollen diese Amplituden begrenzt werden. Die Größe der Amplitude ist auch von dem Dämpfungsgrad der Lagerung abhängig, d.h. mit zunehmendem Dämpfungsgrad wird die Amplitude kleiner. Da aber der Dämpfungsgrad einer elastischen Lagerung nicht beliebig erhöht werden kann, können die Amplituden auch nicht wie gewünscht begrenzt werden.

Es kommt hinzu, dass viele Werkzeugmaschinen eine bewegliche Masse haben. Wird die Maschine bertrieben, werden sich die Auflagekräfte in Abhängigkeit der Position der beweglichen Masse ändern. Dies führt zu erheblichen Kippbewegungen. Das bedeutet, dass die Voraussetzung für die Auslegung der Isolationselemente nicht mehr gelten kann. D.h. also, dass das Ersatzsystem für die elastisch gelagerte Maschine nicht mehr einen Freiheitsgrad hat, sondern mindestens sechs Freiheitsgrade, selbst wenn die Maschine insgesamt als ein starrer Körper betrachtet werden kann.

In der Praxis sollen für eine Schwingungsisolation zum einen die Schwingungen, die von der Maschine ausgehen, isoliert werden, und zum anderen die Amplituden der Maschine selbst in einer vorgegebenen Amplitudengrenze bleiben. Sonst können die Zuführung und Kabelverbindungen reißen. Darüber hinaus wird die Qualität und Produktivität der elastisch gelagerten Maschine erheblich eingeschränkt.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die Kippbewegungen aufgrund der beweglichen Masse automatisch justiert, so dass die oben genannten Nachteile bei einer sehr tiefen Abstimmung einer Maschine vermieden werden können.

Ein vorteilhafter Aufbau für die Fertigung und Funktionsfähigkeit wird dadurch erhalten, dass die Elastomerkörperanordnung die Luftfederanordnung seitlich umgibt.

Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass die Luftfederanordnung als das federnde Luftvolumen aufnehmendes Behältnis einen Topf mit Membran, einen Balg oder eine Kolben-/Zylinderanordnung aufweist.

Ist vorgesehen, dass an das Luftvolumen zur Änderung der Luftmenge mindestens ein Luftweg mit einem Ventil angeschlossen ist, lässt sich die Wirkungsweise der Luftfederanordnung weiter vorteilhaft beeinflussen, insbesondere wenn die Ausgestaltung derart ist, dass das Ventil steuerbar oder als Teil einer Regeleinrichtung regelbar ist.

Ein vorteilhafter Aufbau für die Regelung eines einzelnen Schwingungsisolators oder mehrerer Schwingungsisolatoren im Verbund besteht darin, dass die Regeleinrichtung einen Schwingungsaufnehmer aufweist, dessen Signale zur Betätigung des Ventils genutzt sind. Im Verbund können dabei die Luftfederanordnungen der verschiedenen Schwingungsisolatoren durch Auswerten der von den verschiedenen Schwingungsisolatoren einer gemeinsamen Steuereinrichtung bzw. Regeleinrichtung zugeführten Signale unterschiedlich beeinflusst werden, so dass dadurch die Schwingungsübertragung noch differenzierter unterdrückt werden kann und die Amplituden der schwingungsisoliert gelagerten Maschine in dem vorgegebenen Amplitudenbereich bleiben.

Zur Beeinflussung des Luftvolumens besteht eine weitere vorteilhafte Maßnahme darin, dass das Luftvolumen über das Ventil an eine Luftversorgung angeschlossen ist.

Ein für die Verwendung günstiger Aufbau besteht darin, dass die Halteelemente parallel voneinander beabstandet sind und zumindest das eine, dem zu isolierenden Gegenstand zugewandte Halteelement plattenförmig ausgebildet und mit Befestigungsmitteln für den Gegenstand versehen ist.

Für die Wirksamkeit der Regelung sind weiterhin die Maßnahmen günstig, dass der Schwingungsaufnehmer mit dem dem zu isolierenden Gegenstand zugewandten Halteelement gekoppelt ist bzw. immer in Berührung ist.

Die Schwingungsisolierung wird des Weiteren dadurch unterstützt, dass die Membran, der Balg oder der Kolben mit dem dem zu isolierenden Gegenstand zugekehrten Halteelement gekoppelt ist.

Mit den angegebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine wirkungsvolle Isolierung der von einer Maschine ausgehenden Kräfte bzw. der auf eine Maschine wirkenden Bodenschwingungen sowie Dämpfung der Schwingungen und Stöße in allen Raumrichtungen gleichzeitig erreicht. Neben der Isolierung und Dämpfung kann der Gegenstand durch die Luftfederanordnung automatisch justiert werden. Die Luftfederanordnung und Isolierpakete in Form der Elastomerkörper sind zwischen den Halteelementen, insbesondere einer Ober- und Grundplatte aufgenommen, die entsprechend zusammengeschraubt sind. Die zuzuführende Luft kann durch einen Kompressor der Luftversorgung erzeugt werden. Mit dem Schwingungsisolator ist es möglich, eine relativ tiefe Abtimmung und einen hohen Dämpfungsgrad bei geringen Auflageflächen zu verwirklichen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich insbesondere vorteilhaft bei einer elastischen und dämpfenden Lagerung von Umformmaschinen, Werkzeugmaschinen und Anlagen, wie z.B. Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Schleifmaschinen, Pressen, Stanzen, Hämmer, und anderen Aggregaten und zu deren Isolierung verwenden. Ferner sind die Schwingungsisolatoren vorteilhaft verwendbar für die Isolierung von Prüfständen, Messgeräten, Lasermikroskopen, Laserschweißanlagen.

Die durch Verwendung von Elastomeren zur Schwingungsisolierung erreichbare vertikale Lagerungseigenfrequenz beträgt im Allgemeinen mehr als 10 Hz. Durch Schichtung von Elastomeren können Isolierpakete gebildet werden, mit denen eine vertikale Eigenfrequenz von 5 Hz erreichbar ist, so dass derartige Isolierpakete nicht nur für die elastische Lagerung von Maschinen sondern auch für die elastische Lagerung eines Gebäudes verwendet werden können. Elastomere haben Feder- und Dämpfungseigenschaften gleichzeitig. Durch geeignete Mischung kann die Dämpfung der Elastomere bis zu 20 % erhöht werden, wobei die Formstabilität der Elastomere durch Mischung gewährleistet werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau des Schwingungsisolators kann eine Abstimmung auf tiefe Frequenzen z.B. im Bereich zwischen 3 und 5 Hz mit einem relativ hohen Dämpfungsgrad bis etwa 20 % für ein Gebäude, eine Presse oder eine andere Maschine ermöglicht werden. Dabei können große Lasten mit geringen Auflageflächen aufgenommen werden.

Bei der Auslegung der Schwingungsisolatoren durch elastische und dämpfende Elemente, die passive Elemente darstellen, ist der Schwerpunkt des zu schützenden Gegenstandes zu berücksichtigen. Unter Beachtung der Abmessungen, des Gewichtes und der Lage des Schwerpunktes des zu schützenden Gegenstandes können die statischen Auflagekräfte ermittelt werden. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen können die Isolationselemente für jeden Auflagepunkt auf relativ einfache Weise unterschiedlich gewählt werden, so dass der Gegenstand, statisch gesehen, geradesteht. Hierzu müssten bei vorgegebenen Isolationselementen beispielsweise ausschließlich aus Elastomeren die Auflageflächen unterschiedlich sein.

Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen bei Gegenständen bzw. Maschinen mit beweglicher Masse (insbesondere Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren, Transferlinien, Maschinen mit Verkettung, Pressmaschinen, Schleifmaschinen) anwenden. Die beweglichen Massen können bis zu einem Drittel des Gesamtgewichtes des Gegenstandes betragen und bewegen sich mit deutlich höheren Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen und Rucken. Dies führt zu erheblichen Kippbewegungen der auf den Schwingungsisolatoren lagernden Maschine, wodurch die Funktionsfähigkeit der Maschine gestört und insbesondere ein Eilgang eingeschränkt sein kann. Mit dem Schwingungsisolator des vorstehend genannten Aufbaus kann diesen Nachteilen jedoch vorteilhaft begegnet werden. Insbesondere die Ausschwingdauer der elastisch gelagerten Maschine wird deutlich reduziert. Die Amplitude dieser Maschine wird in der vorgegebenen Amplitudengrenze gehalten, vor allem wenn zusätzlich eine Regelung der Luftfederanordnung vorgesehen ist. Die erforderliche horizontale Schwingungsisolation wird durch die geeignet ausgelegten und gelagerten Elastomerkörper erreicht. Durch die Elastomerkörper wird auch eine Beschädigung der Luftfederanordnung durch horizontale Schwingungen verhindert. Ferner wird durch die Elastomerkörperanordnung auch eine genügende Dämpfung in horizontaler Richtung sichergestellt. Zudem wird im Zusammenwirken zwischen der Elastomerkörperanordnung und der Luftfederanordnung auch eine Isolierung bereits während einer Ausregelverzögerung sichergestellt. Zusammenfassend sind folgende Vorteile des Schwingungsisolators mit dem vorstehend genannten Aufbau anzuführen: automatische Justierung, kurze Reaktionszeit, relativ hohe Dämpfung, tiefe Eigenfrequenz, sehr geringe Kippbewegungen trotz beweglicher Massen, keine Einschränkung der Funktionsfähigkeit der schwingungsisoliert gelagerten Maschine in Folge von Schwingungen, erhöhte Produktivität der schwingungsisolierten Maschine.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schwingungsisolator um Querschnitt,
2A die horizontale Schwingungsgeschwindigkeit über der Zeit bei einer Kombination von Elastomerkörper und Luftfederanordnung gegenüber einem Aufbau ohne Elastomerkörper,
2B ein Amplitudenspektrum der horizontalen Schwinggeschwindigkeit bei einer Kombination aus Elastomerkörper und Luftfederanordnung gegenüber einem Aufbau ohne Elastomerkörper,
3A die vertikale Schwinggeschwindigkeit über der Zeit bei einer Kombination aus Elastomerkörper und Luftfederanordnung gegenüber einem Aufbau ohne Elastomerkörper und
3B ein Amplitudenspektrum der vertikalen Schwinggeschwindigkeit bei einer Kombination aus Elastomerkörper und Luftfederanordnung gegenüber einem Aufbau ohne Elastomerkörper.
Ein in 1 dargestellter Schwingungsisolator 1 weist zwischen einem Halteelement in Form einer Grundplatte 31 und einem weiteren Halteelement in Form einer von der Grundplatte parallel beabstandeten Oberplatte 30 eine Isolationsvorrichtung aus Elastomerkörpern 10, 11, 12 und einer Luftfederanordnung 20 auf. Die Luftfederanordnung 20 ist von den Elastomerkörpern 10, 11, 12 umgeben, die beispielsweise auch einstückig ausgebildet sein können und in Draufsicht z.B. eine kreisringförmige oder rechteckförmige oder quadratische Außenkontur aufweisen und zur Aufnahme der Luftfeder 20 im mittleren Bereich eine runde oder quadratische bzw. rechteckförmige Ausnehmung besitzen. Die Elastomerkörper 10, 11, 12 können als Elastomerpakete aus unterschiedlichem Elastomermaterial zusammengesetzt sein, beispielsweise in parallelen Schichten zwischen der Oberplatte 30 und der Grundplatte 31, wobei die einzelnen Schichten vertikal oder horizontal orientiert sein können. Die Oberplatte 30 und die Grundplatte 31 sind vorteilhaft mittels mehrerer zusammenhaltender Elemente, z.B. Gewindestäbe und ineinander gehängter Ringe oder anderer Koppelelemente gegen ein Auseinanderfallen gesichert, wobei die Isolierwirkung der Isoliervorrichtung ungehindert gewährleistet ist. Weiterhin können die Oberplatte 30 und/oder die Grundplatte 31 mit auf der Außenseite angeordneten Befestigungsmitteln, beispielsweise Schrauben 32, 33 versehen sein, um den Schwingungsisolator 1 auf einfache Weise einerseits mit der Oberplatte 30 an einem Gegenstand und andererseits mit der Grundplatte 31 auf einem Unterbau anbringen zu können.
Die Luftfederanordnung 20 besteht beispielsweise aus einem Topf mit einer Membran, die an die Oberplatte 30 angekoppelt ist, wobei sich der Topf zwischen der Grundplatte 31 und der Oberplatte 30 erstreckt aber genügend Spielraum für Schwingungen gegeben ist. Das in dem Topf gebildete Luftvolumen steht über eine Luftleitung 22 mit einer Luftversorgung 21 in Verbindung, von der beispielsweise mittels eines Kompressors Luft in den Topf gefördert werden kann. In der Luftleitung 22 kann dabei ein steuerbares bzw. regelbares Ventil angeordnet sein, um die Luftmenge geeignet zu regulieren. Ferner kann aus dem Luftvolumen des Topfes Luft an die Umgebung über das Ventil oder ein anderes Ventil abgelassen werden, um die Luftmenge zu verringern.
Die Luftmenge in dem Topf wird vorteilhaft mittels einer Regeleinrichtung an die gegebenen Erfordernisse nach einem geeigneten Regelalgorithmus angepasst. Die Regeleinrichtung weist einen auf die Schwingungen bzw. ausgeübten Kräfte reagierenden Aufnehmer 23 auf, von dem Signale an eine Regeleinheit zur Regelung der Luftmenge in dem Topf 20 abgegeben werden. Die Regeleinrichtung ist dabei so programmiert, dass eine möglichst gute Schwingungsisolierung in allen Raumrichtungen erreicht wird. Dabei kann die Regelung auf einen jeweiligen Schwingungsisolator beschränkt sein oder es können mehrere Schwingungsisolatoren des isolierten Gegenstandes in Abhängigkeit voneinander für eine optimale Schwingungsisolierung des Gegenstandes geregelt werden.
Wie 2A zeigt, wird durch die Kombination der Isolierkörper mit der Luftfederanordnung die horizontale Schwinggeschwindigkeit in wesentlich kürzerer Zeit unterdrückt als ohne Elastomerkörper. 2B zeigt, dass auch wesentlich geringere Amplituden der horizontalen Schwinggeschwindigkeit bei der Kombination aus der Elastomerkörperanordnung und der Luftfederanordnung entstehen als im Falle ohne Elastomerkörper.
Die 3A und 3B zeigen entsprechende Verbesserungen hinsichtlich der Schwinggeschwindigkeit und des Amplitudenspektrums der vertikalen Schwinggeschwindigkeit der auf den Isolatoren gelagerten Maschine.

Claims

Schwingungsisolator (1) mit einer zwischen voneinander beabstandeten Halteelementen (30, 31) positionierten Elastomerkörperanordnung (10, 11, 12) und einer Federanordnung (20), wobei ein Halteelement (30) mit einem zu isolierenden Gegenstand koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (20) als Luftfederanordnung (20) mit mindestens einem eine Federwirkung erzeugenden Luftvolumen ausgebildet ist.
Schwingungsisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerkörperanordnung (10, 11, 12) die Luftfederanordnung (20) seitlich umgibt.
Schwingungsisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfederanordnung (20) als das federnde Luftvolumen aufnehmendes Behältnis einen Topf mit Membran, einen Balg oder eine Kolben-/Zylinderanordnung aufweist.
Schwingungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an das Luftvolumen zur Änderung der Luftmenge mindestens ein Luftweg mit einem Ventil angeschlossen ist.
Schwingungsisolator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil steuerbar oder als Teil einer Regeleinrichtung regelbar ist.
Schwingungsisolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung einen Schwingungsaufnehmer (23) aufweist, dessen Signale zur Betätigung des Ventils genutzt sind.
Schwingungsisolator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftvolumen über das Ventil an eine Luftversorgung (21) angeschlossen ist.
Schwingungsisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (30, 31) parallel voneinander beabstandet sind und zumindest das eine, dem zu isolierenden Gegenstand zugewandte Halteelement (30) plattenförmig ausgebildet und mit Befestigungsmitteln (32) für den Gegenstand versehen ist.
Schwingungsisolator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaufnehmer (23) mit dem dem zu isolierenden Gegenstand zugewandten Halteelement (30) immer in Berührung ist.
Schwingungsisolator nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran, der Balg oder der Kolben mit dem dem zu isolierenden Gegenstand zugekehrten Halteelement (30) gekoppelt ist.