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Vorrichtung zur Verhinderung von Biege- und Torsionsschwingungen in
Glockentürmen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verhinderung
von Biege- und Torsionsschwingungen in Glockentürmen.
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Bekanntlich werden beim Schwingen einer Glocke auf deren Drehachse
senkrecht wirkende Horizontalkräfte ausgeübt, die sich auf den Kirchturm übertragen
und denselben in eine Schwingung versetzen. Wenn die Frequenz der Horizontalkräfte
im Bereich der Frequenz des Turmes liegt, kommt es zu erheblichen Amplituden, die
zu einer Zerstörung des Kirchturmes führen können. Gerade bei der heute aus architektonischen
Gründen gewünschten schlanken Bauform eines Kirchturmes treten besondere schwingungstechnische
Probleme auf, weil solche Türme nicht in der Lage sind, Resonanzschwingungen aufzunehmen.
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Diesem übelstand hat man bereits durch eine Kröpfung der Glockendrehachse
zu begegnen versucht, wobei die neue Drehachse der Glocke im Extremfall durch den
Glockenschwerpunkt geht. Es konnte zwar durch diese Maßnahme der beim Schwingen
der Glocke entstehenden gefährlichen Horizontalkraft begegnet werden, man mußte
aber erhebliche musikalische Mängel (fehlender Dopplereffekt, der Klöppel schlägt
nicht mehr die Glocke, sondern die Glocke schlägt den Klöppel) in Kauf nehmen, was
allgemein unerwünscht ist und in Fachkreisen abgelehnt wird.
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Es sind auch bereits Versuche unternommen worden, den gesamten Glockenstuhl
pendelnd zu lagern und mit einem Koppelpendel zu versehen, um damit die gefährlichen
Horizontalkräfte unschädlich zu machen. Diese Maßnahme ist jedoch insofern nachteilig,
als die vom Glockenstuhl einschließlich Glokken herrührende Horizontalkraft durch
eine in umgekehrter Richtung wirkende Horizontalkraft (Trägheitskraft) einer einzigen
Masse kompensiert werden muß, was höchstens teilweise erreicht werden kann, weil
diese Konstruktion erst bei erheblichen Schwingungsweiten zur Wirkung kommt, dabei
aber eine sehr hohe Lagerbelastung auftritt und darüber hinaus auch noch musikalische
Mängel auftreten, was besonders unerwünscht ist. Es sind bei dieser Konstruktion
immer noch Restkräfte vorhanden, die den Turm auch weiter zu Resonanzschwingungen
anregen. Ferner ist diese Ausführung mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden.
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Weiterhin ist schon versucht worden, Glocke und Gegenschwungmasse
um eine gemeinsame Drehachse schwingen zu lassen, wobei Glocke und Gegenschwungmasse
auf getrennt voneinander drehbaren Drehorganen angeordnet sind. Der Drehkörper,
an dem die Gegenschwungmassen befestigt sind, ist in Form eines Rohres ausgeführt,
durch dessen Hohlraum eine die Glocke tragende Welle geführt ist. Beide Systeme
werden gleichmäßig, aber gegensinnig über ein Wendegetriebe angetrieben. Mit einer
solchen Ausführung ist zwar eine Kompensation der wirkenden Horizontalkräfte möglich,
jedoch ist diese Ausführung sehr kostspielig, insbesondere, was den Antrieb in Form
eines Wendegetriebes angeht. Ferner ist für eine solche Ausführung in der Regel
ein besonderer Glockenstuhl erforderlich, so daß diese Anlage bei bereits vorhandenen
Kirchtürmen infolge Platzmangels nicht eingebaut werden kann oder aber erhebliche
Zusatzkosten für einen neuen Glockenstuhl erfordert.
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Bei einer Läutevorrichtung ist es bereits bekannt, die Glockenaufhängung
oberhalb des Joches fortzuführen. Dieser oberhalb der Glockendrehachse liegende
Teil beeinflußt infolge seiner gegenüber der Glockenmasse kleinen Masse die beim
Schwingen der Glocke auftretende Horizontalkraft nur in geringem Maße, so daß die
verbleibende Restkraft den Turm immer noch zu Resonanzschwingungen anregt, also
der durch die Resonanzschwingungen auftretenden Gefahr nicht wirksam begegnet wird.
Im übrigen treten bei dieser Ausführung starke Verschiebungen der Glockenfrequenzen
auf, was musikalisch nicht zu vertreten ist.
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Es ist weiterhin bereits bekannt, am Glockenjoch einen ein verschiebbares
Gewicht aufweisenden Regulator zur Regulierung der Glockenpendelzahl anzubringen.
Die starre Befestigung des Regulators am Glockenjoch hat zur Folge, daß der Regulator
im gleichen und darüber hinaus im gleichgerichteten Schwingungsrhythmus wie die
Glocke schwingen muß. Dadurch wird aber der: beim Schwingen der Glocke entstehenden
gefährlichen Horizontalkraft nicht entgegengewirkt, sondern diese unter Umständen
noch
verstärkt, so daß dann ein mit solchen Regulatoren ausgerüsteter Glockenstuhl in
schwingungstechnischer Hinsicht noch schwieriger zu beherrschen ist. Darüber hinaus
ist die erreichbare bzw. musikalisch vertretbare Frequenzänderung in der Praxis
zu klein, um eine ausreichende Verstimmung zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der oben beschriebenen
Ausführungsformen, wobei als wesentliche Erkenntnis die Tatsache eine Rolle spielt.
daß die erste Eigenschwingungszahl eines am freien Ende nur verdrehten, nicht seitlich
verschobenen Kragarmes etwa 4,4 fach höher liegt als die erste Eigenschwingungszahl
des seitlich verschobenen Kragarmes. Diese Erkenntnis, auf turmartige Bauwerke angewendet,
ergibt, daß bei dem üblicherweise vorhandenen Konstruktionsraum diese höhere Schwingungsform
des Kragarmes erreicht wird, wenn man die beim Schwingen der Glocke wirksam werdende
Horizontalkraft durch Aufbringen einer in jedem Zeitpunkt der ersten Kraft gleich
großen, aber in der Phase um 180' verschobenen Kraft in ein Kräftepaar umwandelt.
Dadurch wird erreicht, daß sich eine wesentlich höhere Frequenz einstellt als die
erste Eigenfrequenz des ursprünglichen Systems.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf einer zur Glockendrehachse
parallel verlaufenden Achse eine oder mehrere Gegenschwungmassen drehbar angeordnet
sind, die beim Schwingen um ihre Drehachse Kräfte wirksam werden lassen, die in
ihrer Größe gleich und in ihrer Wirkungsrichtung umgekehrt den entsprechenden beim
Schwingen der Glocke auf deren Drehachse wirksamen Kräfte sind.
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Der besondere Vorteil, der durch die Art der Anordnung von Glocke
und Gegenschwungmasse erzielt wird, besteht darin, daß sowohl in alten als auch
in neuen Glockentürmen der beim Schwingen der Glocken auftretenden gefährlichen
Horizontalkraft auf eine Weise begegnet werden kann, die ohne besonderen konstruktiven
Aufwand erfolgt. Insbesondere ist bei alten Kirchtürmen der Umbau des Glockenstuhls
zu einer schwingungssicheren Konstruktion mit erheblichen Kosten verbunden. Diese
Umbaukosten werden durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf ein
Minimum herabgesetzt, weil die um eine zur Glockenachse parallel verlaufenden Achse
schwingbar angeordneten Gegenschwungmassen nur wenig Raum benötigen, der in den
Glockenstühlen alter Kirchtürme stets vorhanden ist. Es ist also ein völliger Umbau
des Glockenstuhls, wie er bisher vorgenommen werden mußte, um einigermaßen eine
schwingungssichere Konstruktion zu erhalten, bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nicht mehr notwendig, so daß dadurch wesentliche Teile der Umbaukosten
eingespart werden.
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Neben den Kostenvorteilen bei alten Kirchtürmen ergibt sich sowohl
bei diesen als auch bei neuen Kirchtürmen infolge des geringen Raumbedarfs der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ein entscheidender einbautechnischer Vorteil, der gerade bei neuen Kirchtürmen
eine große Rolle spielt, weil diese meistens eine schlanke Bauform aufweisen und
für den Glockenstuhl relativ wenig Platz lassen. Der Einbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in solchen Kirchtürmen macht daher keine Schwierigkeiten. Dies ist um
so bedeutender, als gerade diese Glockentürme schwingungstechnisch besonders schwierig
zu beherrschen sind, durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aber
in schwingungstechnischer Hinsicht einwandfrei zu beherrschen sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können Glockenmasse
und Gegenschwungmasse in der gleichen Schwingungsebene schwingen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können
die Glockenmasse und die Gegenschwungmasse in parallel zueinander liegenden Ebenen
ihre Schwingbewegungen ausführen.
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Zur Kompensation der beim Schwingen einer Glocke wirksam werdenden
Horizontalkraft empfiehlt es sich, daß der lotrechte Abstand der Drehachsen je nach
vorliegendem Schwingungssystem einen bestimmten Wert nicht überschreitet.
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Es können jedoch auch Fälle vorkommen, in denen die Drehachsen von
Glocke und Gegenschwungmasse nicht in einer gemeinsamen vertikalen oder horizontalen
Ebene liegen. Die dann beim Schwingen der einzelnen Massen auftretenden Torsionsschwingungen
können so kompensiert werden, daß die Resultierenden der Glockenerregerkraft und
der Kompensatorerregerkraft in einer gemeinsamen Schwingungsebene wirksam werden.
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Zur Erzielung eines gleichmäßigen gegenläufigen Schwingungsrhythmus
zwischen Glocke und Gegenschwungmasse kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zwischen Glocke und Gegenschwungmasse ein in seinen Endpunkten drehbares
Gestänge verwendet werden, was insbesondere dann von Vorteil ist und eine einfache
Konstruktion darstellt, wenn Glocke und Gegenschwungmasse in einer gemeinsamen Schwingungsebene
schwingen.
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Je nach den vorliegenden Verhältnissen kann zur Erzielung der gleichen
Wirkung ein an der Glocke fest angebrachtes Zahnrad, Zahnradsegment od. dgl. vorgesehen
sein, welches in ein anderes Zahnrad. Zahnradsegment od. dgl. eingreift, das seinerseits
über einen Kettentrieb mit einem an der Gegenschwungmasse fest angebrachten Kettenrad
verbunden ist. Als Verbindung zwischen den beiden schwingenden Systemen kann selbstverständlich
auch ein Seilzug vorgesehen sein.
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Ferner können zur Erzielung eines gleichmäßigen Schwingungsrhythmus
gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen Glockenmasse
und Gegenschwungmasse ein oder mehrere hydraulisch oder pneumatisch wirkende Zylinder
vorgesehen sein. Auch die Zwischenschaltung von Zahnradpaaren erfüllt den gleichen
Zweck.
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Es versteht sich von selbst, daß die Masse, die Schwerpunktslage und
das Massenträgheitsmoment der Gegenschwungmasse gleich der Masse, Schwerpunktslage
und Massenträgheitsmoment der Glocke sein muß, damit ein gleicher Kraftverlauf auftritt.
Um dies in jedem Falle zu erreichen, ist die Gegenschwungmasse hinsichtlich dieser
Größen noch am Einbauort einjustierbar.
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Die Erfindung ist an Hand der Figuren, die einige Ausführungsbeispiele
darstellen, näher erläutert.
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F i g. 1 stellt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform
der Erfindung dar; F i g. 2 stellt in schematischer Darstellung eine andere Ausführungsform
der Erfindung dar; F i g. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls
in schematischer Darstellung;
F i g. 4 stellt in perspektivischer
Darstellung schennatisch eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die Drehachsen
von Glocke und Gegenschwungmasse in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen:
F i g. 5 stellt in perspektivischer Darstellung schernatisch eine Ausführungsform
der Erfindung dar, bei der die Drehachsen von Glocke und Gegenschwungrnasse in einer
gemeinsamen vertikalen Ebene liegen; F i g. 6 stellt in perspektivischer Darstellung
schernatisch eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der zwar die Drehachsen
von Glocke und Gegenschwungmasse parallel, aber weder eine gemeinsame ebene in vertikaler
noch in horizontaler Richtung aufweisen.
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Wie aus der F i g. 1 zu entnehmen ist, wird die Glocke 1 über ein
Gestänge 2 mit der Gegenschwungrnasse 3 verbunden, damit ein gleichmäßiger, jedoch
gegenläufiger Schwingungsrhythmus gewährleistet ist. An der. .Schwungmasse 3 können
zur Einjustierung ihrer Schwerpunktslage und ihres Massenträgheitsmomentes noch
zusätzlich eine oder mehrere Massen 4 vorgesehen werden. Die Anordnung der Schwungmassen
auf dem Drehorgan, beispielsweise Welle 5, kann so erfolgen, daß Glocke 1 und Gegenschwungmasse
3 in einer gemeinsamen oder in zwei voneinander unabhängigen, aber parallelen Ebenen
schwingen, wie dies in den F i g. 4, 5 und 6 veranschaulicht ist.
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Zur Erzielung eines gleichmäßigen, aber gegenläufigen Schwingungsrhythmus
zwischen Glocke 1 und Gegen.schwungmasse 3 kann ein Stirnrad 6 an der Gegenschwungmasse
fest angeordnet sein, welches in ein Stirnrad 7 eingreift, an welchem ein Kettenrad
8 befestigt ist, welches seinerseits über einen Kettentrieb 9 mit einem an der Glocke
1
oder Glockenwelle 10 angebrachten Kettenrad 11 zusammenwirkt
(F i g. 2).
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Ein gleichmäßiges, aber gegenläufiges Schwingen von Glocke 1 und Gegenschwungmasse
3 kann auch, wie in F i g. 3 schematisch dargestellt ist, über hydraulisch oder
pneumatisch wirkende Zylinder 12,13 erfolgen, wobei die Zylinder 12, 13 untereinander
über Druckleitungen 14,15 verbunden sind.
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Es versteht sich von selbst, daß nur einige Ausführungsbeispiele aus
der Vielzahl der möglichen herausgegriffen sind, jedoch können auch noch andere
Maschinenelemente, beispielsweise Zahnstange, Seiltrieb, Kardan od, dgl., zur Erzielung
einer gleichmäßigen, aber gegenläufigen Schwingbewegung von Glocke und Gegenschwungmasse
verwendet werden.