ÖLDÄMPFER UND SCHLEUDERPRÜFSTAND MIT EINEM SOLCHEN
Die Erfindung betrifft eine als Öldämpfer gestaltete Dämpfungseinheit, der eine Innenölkammer und eine mit dieser fluidisch verbundenen Außenölkammer umfasst, wobei die Innenölkammer von einer mit einem Kolben verbundenen Kolbenstange in zwei Innenölkammerteile geteilt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Schleuderprüfstand mit einem solchen Öldämpfer.
Um zum Beispiel Belastungen zu messen, die auf einen rotierenden Körper wirken, können Schleuderprüfstände herangezogen werden, in denen der Körper, wie beispielsweise ein Rotor in seinem Betriebsdrehzahlbereich und auch darüber betrieben wird. Zusätzlich kann der Rotor beispielsweise zyklischen Drehzahländerungen oder Temperaturschwankungen ausgesetzt werden. Der Rotor kann hierbei, z. B. über seinen Wellenzapfen, an einer dünnen, elastischen Welle hängend befestigt und beschleunigt werden. Der Rotor rotiert dann um seine Massenträgheitsachse anstatt um seine geometrische Achse, sodass sich der Rotor quasi unwuchtkräftefrei bewegt. Da in der Regel die elastischen Eigenfrequenzen der Welle durchlaufen werden und hierbei große Auslenkungen auftreten können, werden zur Einschränkung der Wellenauslenkung oftmals Dämpfer eingesetzt, sodass die Stabilität der Schleuderwelle beibehalten werden kann.
Bekannte Dämpfungseinheiten sind Öldämpfer. Diese bestehen aus einem ölgefüllten Zylinderrohr, das an beiden Enden durch Endstücke verschlossen ist. Durch eines der Endstücke führt eine Kolbenstange hindurch, die im Inneren des Zylinderrohrs mit einem Kolben verbunden ist, der abgedichtet an der Innenwand des Zylinderrohrs gleitet. Durch den Kolben kann ein Kanal hindurchführen, der als Drosselstelle wirkt um die Geschwindigkeit, mit der der Kolben verstellt wird, zu bremsen.
Öldämpfer sind beispielsweise aus DE 37 26 031 C2 bekannt. Hierbei weist der Dämpfer ein Gehäuse mit einem zylindrischen Hohlraum auf, der an einem
Ende offen ist und einen zylindrischen Zwischenrotor beherbergt. In dem zylindrischen Zwischenrotor ist wiederum ein weiterer zylindrischer Rotor angeordnet, der aus der offenen Seite des Gehäuses herausgeführt wird. Zwischen den Rotoren liegt ein Ringraum vor, der am geschlossenen Ende des Gehäuses abgeschlossen ist, wobei der hohlzylindrische Rotor in den Ringraum hineinsteht und sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite einen Scherspalt und ein Richtgesperre in einem Ringsspalt zwischen Zwischenrotor und Gehäuse ausgebildet sind.
Aus DE 10 2004 014 458 A1 ist ein in einer Vordergabel verbauter Öldämpfer bekannt. Der Dämpfer umfasst eine obere Kammer und eine untere Kammer, in denen Öl enthalten ist, und eine Gabel-interne Ölkammer, die durch das Außenrohr, das Innenrohr und einen Doppelstangen-Stoßdämpfer definiert wird und in der Öl und Luft enthalten sind. Weiterhin umfasst die Vordergabel ein Rückschlagventil, das in einem unteren Teil des Doppelstangen- Stoßdämpfers angeordnet ist, wobei das Rückschlagventil einen Ölfluss nur in einer Richtung von der Gabel-internen Ölkammer zu der unteren Kammer des Doppelstangen-Stoßdämpfers gestattet, und eine Lüftungsleitung mit einem kleinen Querschnitt, die in einem oberen Teil des Doppelstangen- Stoßdämpfers ausgebildet ist, wobei die Lüftungsleitung die obere Kammer des Doppelstangen-Stoßdämpfers mit der Gabel-internen Ölkammer verbindet.
EP 2 562 440 B1 offenbart ein Dämpfersystem mit einer Magnetkopplung. Die Magnetkopplung umfasst zwei Magnete, um radiale Gegenkräfte in radial entgegengesetzten Punkten um den Rotor herum auszuüben, sodass keine resultierende Kraft auf den Rotor ausgeübt wird, wenn der Rotor in dem Dämpfersystem zentriert ist.
DE 10 2005 055 558 A1 beschreibt einen einstellbaren Öldämpfer, der zwei koaxial ineinander steckende Rohre aufweist, die beide endseitig durch zwei Verschlussglieder verschlossen sind. Durch eines der Verschlussglieder führt
die Kolbenstange hindurch, während das andere Verschlussglied eine Drosseleinrichtung enthält, über die der Strömungswiderstand regulierbar ist, den das Dämpferöl beim Verschieben des Kolbens überwinden muss.
Problematisch bei den bekannten Öldämpfern ist, dass die Ölkammern aufgrund des starken Wechseldrucks, der durch die Bewegung des Kolbens entsteht, gegen Leckage abgedichtet sein müssen. Eine ausreichende Dichtigkeit ist aber nur mit einem flexiblen Dichtelement erreichbar, welches sowohl mit der Kolbenstange als auch mit dem Gehäuse des Öldämpfers verbunden ist. Um ein Aufwölben des Dichtelements durch den hohen Druck zu vermeiden, müsste das Dichtelement wiederum ausreichend steif ausgelegt sein. Dies führt jedoch zu einer hohen Federsteifigkeit, die bei vielen Öldämpfern nicht erwünscht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Öldämpfer bereit zu stellen, der trotz Abdichtung eine geringe Federsteifigkeit mit sich bringt.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Öldämpfer bereitgestellt wird, mit einer ölgefüllten, als Hohlkammer gestalteten Innenölkammer, einer mit der Innenölkammer über zumindest einen Durchgang verbundenen und ebenfalls Öl umfassenden Außenölkammer, mit einer den Durchgang und die Innenölkammer durchragenden, in ihrer Längsrichtung beweglichen und mit einem zu dämpfenden Gegenstand verbindbaren Kolbenstange und mit einem an der Kolbenstange festgelegtem Kolben, der die Innenölkammer in zwei Innenölkammerteile teilt, wobei zumindest in einem der Innenölkammerteile ein Durchgang angeordnet ist, wobei die Innenölkammerteile über zumindest ein Öldurchlassmittel fluidisch miteinander verbunden sind, und mit zumindest einem in dem Durchgang angeordneten nicht gegenüber der Innenölkammer abgedichteten
Wellenführungselement, so dass Öl aus der Innenölkammer in die Außenölkammer strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Öldämpfer bereitgestellt, mit einer ölgefüllten, als Hohlkammer gestalteten Innenölkammer, einer mit der Innenölkammer über zwei Durchgänge verbundenen und ebenfalls Öl umfassenden Außenölkammer, mit einer die Durchgänge und die Innenölkammer durchragenden, in ihrer Längsrichtung beweglichen und mit einem zu dämpfenden Gegenstand verbindbaren Kolbenstange und mit einem an der Kolbenstange festgelegtem Kolben, der die Innenölkammer in zwei Innenölkammerteile mit je einem in diesen angeordnetem Durchgang teilt, wobei die Innenölkammerteile über zumindest ein Öldurchlassmittel fluidisch miteinander verbunden sind, und mit in den Durchgängen angeordneten nicht gegenüber der Innenölkammer abgedichteten Wellenführungselementen, so dass Öl aus der Innenölkammer in die Außenölkammer strömen kann.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Schleuderprüfstand mit einer als Öldämpfer gestalteten Dämpfereinheit. Die Vorteile und Ausgestaltungen des Öldämpfers sind analog auf den Schleuderprüfstand anzuwenden. Der Öldämpfer kann fest im Schleuderprüfstand installiert sein und mit der Schleuderwelle des Schleuderprüfstands verbindbar sein. Mithilfe dem erfindungsgemäßen Öldämpfer kann eine effiziente Dämpfung einer Anregungsbewegung der Schleuderwelle gedämpft und somit die Stabilität der Schleuderwelle sichergestellt werden.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung wird eine Leckage des Wellenführungselements toleriert, das heißt, die gewünschte Dämpfungswirkung wird trotz Leckage erreicht und auf komplizierte und aufwendig gestaltete Dichtungen kann verzichtet werden. Zumal hierdurch ein leichtgängiges Verschieben des Kolbens ermöglicht werden kann. Das aus der Innenölkammer austretende Öl strömt über zumindest ein Wellenführungselement, vorzugsweise über beide Wellenführungselemente in
die Außenölkammer. Da die Außenölkammer mit zumindest einem Durchgang fluidisch verbunden ist, findet in dieser vorzugsweise ein Druckausgleich statt. Folglich stellt sich in der Außenölkammer ein nahezu konstanter Öldruck ein, welcher annähernd dem Atmosphärendruck entspricht.
In einer Ausgestaltung besitzt die Innenölkammer eine zylindrische Form und ist aus Metall gefertigt. Der Kolben kann vorzugsweise ebenfalls eine zylindrische Form aufweisen und insbesondere als Scheibe gestaltet sein.
Das Öldurchlassmittel, das beide Innenölkammerteile fluidisch miteinander verbindet, kann vorteilhafterweise als Spalt zwischen Kolben, insbesondere dessen Mantelfläche und Innenwand der Innenölkammer, insbesondere der Innenfläche der Hohlkammerwand ausgebildet sein. Der Spalt kann sich je nach Gestaltung des Kolbens und dessen Lage in der Innenölkammer nur bereichsweise über den Umfang des Kolbens erstrecken oder diesen vollumfänglich umgeben.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Öldurchlassmittel als Drossel oder Drosselklappe ausgebildet sein, die vorzugsweise im Kolben oder zwischen Kolben und Innenfläche der Hohlkammerwand integriert vorliegt. Die Drossel könnte auch außerhalb des Zylinders angeordnet sein, wobei zwei Anschlüsse in den Innenölkammerammern eingebracht vorliegen und in der Verbindung dieser beiden die Drossel integriert ist. Diesbezüglich können auch mehrere Drosseln vorgesehen sein, durch die sich das Öl zwischen den Innenölkammern hin und her bewegen kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, das Öldurchlassmittel als Durchbruch oder mehrere Durchbrüche im Kolben zu gestalten, durch das oder durch die ein Druckausgleich zwischen den Innenölkammerteilen möglich ist.
Die beschriebenen Wellenführungselemente oder das beschriebene Wellenführungselement werden im Folgenden analog verwendet, um Ausgestaltungen und Funktion zu erläutern, so dass Singular und Plural
austauschbar sind und für beide Gestaltungen herangezogen werden können. Das Wellenführungselement ist undicht gestaltet und gestattet einen Ölaustritt aus der Innenölkammer in die Außenölkammer. Die Wellenführungselemente dienen dem Führen der Welle, das heißt insbesondere der Kolbenstange und sind insbesondere in den Durchgängen zwischen Innenölkammer und Außenölkammer angeordnet. In einer Ausgestaltung kann jedoch auch bevorzugt sein, dass lediglich ein Wellenführungselement in einem Durchgang vorgesehen ist, sofern ein einfachwirkender Kolben bzw. Kolbenstange bevorzugt ist. Ein Vorteil der undichten Wellenführungselemente ist, dass auf Dichtungselemente verzichtet werden kann und somit Federrückstellkräfte vermeidbar sind. Öl kann zwischen der Kolbenstange und den Führungselementen insbesondere beidseitig austreten und in die umliegende Außenölkammer fließen, welche vorteilhafterweise ebenfalls mit Öl befüllt ist. Die Wellenführungselemente sind vorzugsweise derart gestaltet, dass der von ihnen verursachte Strömungswiderstand höher ist als der Strömungswiderstand zwischen den Innenölkammerteilen im dynamischen Betrieb. Hierdurch kann sich in der Innenölkammer ein für eine effiziente Dämpfung notwendige Druck aufbauen.
Die undichten Wellenführungselemente können insbesondere als Linearlager ausgestaltet sein. Hier sind insbesondere Linearkugellager oder -gleitlager bevorzugt, die eine ausreichende axiale Beweglichkeit der Kolbenstange gestatten, wobei eine Leckage toleriert ist.
Die Innenölkammer ist vorzugsweise entlang ihrer Mittenachse von den beiden zum Beispiel als Bohrungen gestalteten Durchgängen durchbrochen, die vorteilhafterweise in jeweils einer Kammer der Außenölkammer münden. Diesbezüglich ist es bevorzugt, dass die beiden Kammern diametral angeordnet sind und fluidisch über eine Leitung, beispielsweise eine Rohrverbindung miteinander verbunden sind.
Die Kolbenstange kann beispielsweise mit einer Welle verbindbar sein. Die Kolbenstange ragt mit einem Ende aus dem Ende des Öldämpfers heraus und kann mit einer Welle verbindbar sein. Um einen Austritt von Öl aus der Außenölkammer zu verhindern, weist die Außenölkammer eine abgedichtete Wellendurchführung zur Durchführung der Kolbenstange auf. Dies kann beispielsweise durch ein flexibles Dichtelement, wie zum Beispiel einem Dichtbalg erreicht werden.
Um Öl aus der Außenölkammer in die Innenölkammer zurückzuführen, können die Außenölkammer und die Innenölkammer über ein Rückschlagventil miteinander verbunden sein, so dass Öl aus der Außenölkammer in die Innenölkammer strömen kann. Durch die Bewegung des Kolbens kann in der Innenölkammer, insbesondere in einer der beiden Innenölkammerteilen ein Unterdrück erzeugt werden, durch den Öl über das Rückschlagventil zurück in die Innenölkammer gesaugt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Öldämpfers und
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Schleuderprüfstands mit einer Dämpfungseinheit.
In Figur 1 ist eine Ausgestaltung eines Öldämpfers schematisch dargestellt, wogegen Figur 2 einen Schleuderprüfstand mit einer Dämpfungseinheit schematisch andeutet. Der Öldämpfer 1 umfasst eine Innenölkammer 2, die beispielsweise durch eine zylindrische Hohlkammer gebildet sein kann. Die Hohlkammer kann beispielsweise mehrteilig gestaltet sein, wobei die Teile miteinander verschraubbar und entsprechend abgedichtet sind. Die Innenölkammer 2 weist zwei diametral angeordnete Durchgänge 3 auf, die beispielsweise als Bohrungen in der Wand der Innenölkammer 2 ausgebildet
sein können und vorzugsweise entlang der Mittenachse der Innenölkammer 2 angeordnet sind. Die Durchgänge 3 münden jeweils in einer Kammer 4 oder einem Raum einer Außenölkammer 5, die der Innenölkammer 2 vor- bzw. nachgeschaltet sind. Die beiden Kammern 4 der Außenölkammer 5 sind über eine Leitung 6 oder durch eine Hohlbohrung durch die Hohlkammerwand fluidisch miteinander verbunden.
Die Durchgänge 3 sowie die Innenölkammer 2 werden von einer Kolbenstange 7 durchragt. Die Kolbenstange 7 weist ein erstes sich in den Öldämpfer 1 erstreckendes Ende 8 und ein zweites aus diesem herausragende Ende 9 auf. Das erste Ende 8 der Kolbenstange 7 ist beabstandet zur Innenwand der Außenölkammer 5 angeordnet und das zweite Ende 9 der Kolbenstange 7 kann zum Beispiel mit einer Schleuderwelle eines Schleuderprüfstands verbunden werden. Die Außenwand 10 der Außenölkammer 5, durch die das zweite Ende 9 der Kolbenstange 7 ragt, kann als Dichtelement ausgestaltet sein. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, dass lediglich ein Teil der Wand 10 als Dichtelement auszugestalten oder eine Bohrung in der Wand 10 mit einer Wellenführung vorzusehen, die gegenüber der Außenölkammer abgedichtet ist.
Die Kolbenstange 7 ist mit einem Kolben 11 verbunden, der sich radial von der Kolbenstange 7 in die Innenölkammer 2 erstreckt, wobei die Kolbenstange 7 insbesondere beidseitig wirkend, das heißt doppelwirkend gestaltet ist. Der Kolben 11 kann einteilig oder mehrteilig konstruiert und beispielsweise mittels Befestigungsmittel an der Kolbenstange 7 befestigt sein. Der Kolben 11 kann eine zylindrische Form aufweisen oder als Scheibenkolben oder Tauchkolben gestaltet sein, wobei bei dieser Ausgestaltung die Kolbenstange 7 kürzer ist und vorzugsweise nicht in einer Kammer 4 der Außenölkammer 5 mündet.
Der Kolben 11 teilt die Innenölkammer 2 in zwei Innenölkammerteile 12 mit je einem in diesen angeordnetem Durchgang 3, wobei die Innenölkammerteile 12 über zumindest ein Öldurchlassmittel 13 fluidisch miteinander verbunden sind.
Die Größe der Innenölkammerteile 12 variiert in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 11 in der Innenölkammer 2. Das Öldurchlassmittel 13 kann beispielsweise als Spalt zwischen Umfangsfläche des Kolbens 11 und der von dieser radial beabstandeten Innenfläche der Innenölkammer 2 vorgesehen sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Öldurchlassmittel 13 als nicht dargestellte Drossel gestaltet ist, über die ein fluidischer Austausch zwischen den Innenölkammerteilen 12 erfolgen kann. Des Weiteren können in dem Kolben 11 Löcher oder Durchbrüche vorliegen, die ebenfalls einen fluidischen Austausch zwischen den Innenölkammerteilen 12 ermöglichen, jedoch in den Figuren nicht dargestellt sind. Bei dieser Ausgestaltung könnte vorzugsweise ein O-Ring als Dichtmittel in einer Nut auf der Umfangsfläche des Kolbens 11 vorliegen.
In den Durchgängen 3 zwischen Innenölkammer 2 und Außenölkammer 5 liegen Wellenführungselemente 14 vor. Je nach Ausgestaltung der Kolbenstange 7 sind in den Durchgängen 3 ein oder zwei Wellenführungselemente 14 vorgesehen. Je nach Gestaltung des Kolbens 11 kann auch nur ein Durchgang 3 zwischen Innenölkammer 2 und Außenölkammer 5 und somit nur ein Wellenführungselement 14 vorgesehen sein. Die Wellenführungselemente 14 können als Linearführung, insbesondere als Linearlager gestaltet sein. Die Wellenführungselemente 14, bzw. Wellenführungen erlauben eine lineare Bewegung der Kolbenstange 7 entlang ihre Längsachse, die wiederum eine Bewegung des Kolbens 11 in der Innenölkammer 2 bewirkt, die eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Volumens der Innenölkammerteile 12 nach sich zieht. Die Wellenführungselemente 14 sind insbesondere undicht gestaltet, das heißt, auf Dichtelemente wird bewusst verzichtet und eine Leckage toleriert, sodass sich Öl aus der Innenölkammer 2 in die Außenölkammer 5 bewegen kann.
Wie gut in Figur 2 zu erkennen, kann der Öldämpfer 1 als Bestandteil eines Schleuderprüfstands 15 vorgesehen und in diesem fest installiert sein. Der Öldämpfer 1 kann aber auch in jeder beliebigen Anwendung eingesetzt
werden, wenn lineare Bewegungen mit einer hohen Frequenz bedampft werden sollen. Der Öldämpfer 1 , genauer die Kolbenstange 7 ist mit einer flexiblen Schleuderwelle 16 des Schleuderprüfstands 15 verbindbar, die wiederum einen zu testenden Rotor 17 trägt. Der Rotor 17 wird über seine Betriebsdrehzahl hinaus beschleunigt. Durch Drehung des Rotors 17 wird eine zu dämpfende, Anregungsbewegung auf die Schleuderwelle 16 ausgeübt. Die Anregungsbewegung wird über die Kolbenstange 7 in den Dämpfer 1 eingeleitet, was in Figur 2 schematisch illustriert ist. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn zwei, orthogonal zueinander stehende Öldämpfer genutzt werden. Durch die Bewegung der Kolbenstange 7 bewegt sich der mit ihr verbundene Kolben 11 und pumpt das in der Innenölkammer 2 vorliegende Öl zum Beispiel durch den als Öldurchlassmittel 13 gestalteten Spalt zwischen den beiden Innenölkammerteilen 12 hin und her. Aufgrund der im Spalt dissipierten Energie bildet sich zwischen den Innenölkammerteilen 12 eine Druckdifferenz, welche auf den Kolben 11 als eine gewünschte Dämpfungskraft wirkt und die eingeleitete Anregungsbewegung dämpft.
Um eine geringe Federsteifigkeit trotz hoher Dämpfungskraft zu erreichen, ist die Innenölkammer 2 mit der Außenölkammer 5 über die undichten Wellenführungselemente 14 verbunden. Hierdurch kann Öl über die Wellenführungselemente 14 in die Außenölkammer 5 gelangen, welche ebenfalls mit Öl befüllt ist. Da die Außenölkammer 5 mit beiden Durchgängen 3 über die Wellenführungselemente 14 verbunden ist, findet in der Außenölkammer 5 zwischen beiden Austrittsstellen, das heißt den Durchgängen 3 ein Druckausgleich statt. Hierdurch stellt sich in der Außenölkammer 5 ein nahezu konstanter Öldruck ein, welche annähernd dem Atmosphärendruck entspricht. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der durch die Wellenführungselemente 14 entstehende Strömungswiderstand deutlich höher ist, als der Strömungswiderstand, der durch das Öldurchlassmittel, insbesondere den Spalt verursacht wird, sodass sich ein Druck in der Innenölkammer 2 aufbauen kann und das gewünschte Dämpfungsverhalten des Öldämpfers nicht behindert wird.
Um Öl aus der Außenölkammer 5 in die Innenölkammer 2 zurückzuführen, kann ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil 18 zwischen Außenölkammer 5 und Innenölkammer 2 vorgesehen sein. Das Rückschlagventil 18 kann beispielsweise federvorgespannt oder nichtfedervorgespannt gestaltet sein. Wenn in dem Innenölkammerteil 12, welches über das Rückschlagventil 18 mit der Außenölkammer 5 verbunden ist, durch die Bewegung des Kolbens 11 Unterdrück erzeugt wird, wird Öl aus der Außenölkammer 5 in die Innenölkammer 2 bewegt.
Durch die bevorzugten Ausgestaltungen kann ein Öldämpfer bereitgestellt werden, der für hochfrequente Dauerschwingungen > 200 Hz und für Schwingungsamplituden von > 2mm geeignet ist, der eine Federsteifigkeit von < 0,1 N/mm und Dämpfungswerte von > 100 Ns/m aufweist und zudem öldicht ist.