NO793266L - Torsjonsvibrasjonsdemper. - Google Patents

Description

Torsjonsvibrasjonsdemper.

Oppfinnelsen vedrører torsjonsvibrasjonsdempere

som benyttes for demping av torsjonsvibrasjoner i forbrennings-motorers veiveaksler og andre masseelastiske akselsystemer.

Det er kjent flere typer av torsjonsvibrasjonsdempere, og de mest effektive ér avstemte dempere. Avstemte dempere innbefatter vanligvis en treghetsmasse som er elas-tisk forbundet med et navelement ved hjelp av metall eller elastomerer fremstilte, avstemte fjæranordninger, idet navelementet er beregnet for stiv forbindelse med forbrennings-motorens veivaksel. Torsjonsvibrasjonsenergien som tilveiebringes i treghetsmassen i demperen når veivakslen roterer, omdannes til varmeenergi ved hjelp av dempeanordninger i demperen, hvorved vibrasjonsamplitudene i akselsystemet reduseres.

Det ér kjent forskjellige tiltak for å omdanne vibrasjonsenergien til varmeenergi. Ved benyttelse av metallfjærer for kopling av navelementet har en vanlig fremgangs-måte for oppnåelse av energiomdanningen vært å benytte den relative bevegelse mellom treghetsmassen og navet for ut-øvelse av en skjærkraft på en tynn film av et viskøst fluidum som er anordnet mellom treghetsmassen og et hus som er stivt festet til navelementet og omgir treghetsmassen i en liten avstand. I de tilfeller hvor det er vært benyttet elastomeré fjæranordninger, har man benyttet dempningsvirkningen til den interne hysterese i det elastomeré materiale for å tilveiebringe den ønskede energiomvandling. Alternativt har man kunnet oppnå energiomvandling ved å utnytte både hysterese-dempingen og skjærkraftdempingen i kombinasjon.

Bruk av såvel av metall og elastomerer fremstilte fjærer for sammenkoplingen av treghetsmassen og navelemenet i avstemte vibrasjonsdempere, er forbundet med flere ulemper. Ved bruk av metallfjæranordninger må disse konstrueres slik at de kan arbeide under store spenningspåkjenninger, og de er derfor utsatt for tretthetsbrudd. Når fjærendene er blitt anbragt i spor eller utsparinger vil de bevirke slitasjegraving, og derved forurenses dempefluidet, med eventuell svikt i demperen som følge. Friksjon bidrar også til oppnåelse av dempevirkningen

i demperen, men dette skjer på en uberegnbar og sterkt varier-ende måte, slik at man ikke har full kontroll over demperens ytelse. Elastomeré fjærer har én lav arbeidstemperatur, hvilket begrenser den oppnåbare dempekapasitet. En optimal demping vil således være vanskelig og ofte umulig å oppnå. Når demping-en oppnås ved en kombinasjon av hystéresedemping i den elastomeré fjær og skjærdemping i et viskøst fluidum, kan man få reasksjoner mellom materialene, med ..tilhørende degradering av enten det viskøse dempefluidum, det elastomeré materiale eller begge komponenter.

En ytterligere ulempe som skyldes bruk av avstemte metallfjærer eller elastomerfjærer er at det er vanskelig å justere dem for optimal avstemming uten dyre utbyttinger eller modifikasjoner. Denne ulempe er særlig utpreget når den avstemte demper er stor eller benyttes for en enkelt maskin eller for små massemengder.

Det er også kjent å benytte gassfjærer for demping. Gassfjærene utsettes for periodisk kompresjon ved hjelp av væskestempler. I et kjent arrangement hvor det benyttes gassfjærer, er et nav, som roterer med den aksel som skal dempes, forsynt med flere radielt utragende tenner som har klaring i respektive omkretsgap mellom hosliggende, radielt innover-ragende tenner på et ringformet treghetselement. Klaringene mellom de to tannsett står i forbindelse med to lukkede ringformede kamre i navet ved hjelp av radielle boringer i navet. Det ene kammer står i forbindelse med de rom som begrenses av de fremre kanter på navtennene, og det andre kammer står i forbindelse med de rom som begrenses av navtennenes bakre kanter. Rommene mellom tennene, de radielle boringer og en del av hvert ringkammer inneholder en væske, eksempelvis olje. Når innretningen roterer dannes det to ringvolumer av luft, eller en annen gass, ved de radielt sett indre partier av de to kamre. Disse gassvolumer utsettes vekselvis for kompresjon og ekspansjon som et resultat av den relative vinkelforskyvning av navet og treghetselementene, og derved av de to tannsett.

De kjente gassfjærarrangementer har imidlertid visse ulemper som kan virke begrensende på den praktiske ytelse. Et problem ved det kjente arrangement er at bruken av to relativt store ringformede gassvolumer i forbindelse med tannrommene gir en meget liten fjæring for gassfjærene, fordi endringene i volum i rommene mellom tennene er meget små sammenlignet med det totale gassvolum som utsettes for kompresjon.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en torsjonsvibrasjonsdemper av den type som be-nytter gassfjærer, men hvor man ikke har det sistnevnte problem.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er derfor navet forsynt med flere tenner som rager radielt innover i respektive ortikretsgap mellom hosliggende, radielt utoverragende tenner på treghetselementet. Omkretsrommene på de to sider av hver navtann har direkte forbindelse med respektive, radielt innover forløpende boringer i navelementet. Disse boringer inneholder respektive gassvolumer som utgjør gassfjærene. Man har således flere separate gassfjærer, fortrinnsvis to for hver navelementtann.

Bruk av flere små, separate gassvolumer istedet for de felles ringformede gassvolumer som ved den kjente innretning, gir større avfjæring og mer effektiv og avstembar demping.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene,hvor

fig. 1 viser et frontriss av en utførelse av en torsjonsvibrasjonsdemper ifølge oppfinnelsen, med frontdekslet delvis gjennomskåret,

fig. 2 viser et snitt gjennom det i fig. 1 antydede

snittområde,

fig. 3 viser et snitt hvor den øvre halvdel svarer til et snitt etter linjen AA i fig. 2, mens den nedre halvdel svarer til et snitt etter linjen BB i fig. 2,

fig. 4 viser et snitt av en del av demperen, etter linjen CC i fig. 1, og

fig. 5 viser et snitt gjennom en del av demperen, etter linjen DD i fig. 1.

Den viste demper har et navelement 10 i form av

en metallplate 12 som er forsynt med et par koaksiale sylindriske flenser 14, 16. Disse flensene går ut i rett vinkel på platen 12 og danner mellom hverandre en åpen kanal. Denne kanal er

lukket med en ringformet plate 18 slik at det dannes et ringformet kammer 20 med i hovedsaken rektangulært tverrsnitt. Platen 18 er festet til flensene 14, 16 på én fluidumtett måte ved hjelp av flere skruer 22.

Inne i ringkammeret 20 er det en treghetsring 24

hvis sisdeflater 26, 28 og ytre omkretsplate 30 befinner seg i en liten avstand fra de hosliggende flater i ringkammeret 20.

Navelementet 10 har en sentral åpning 34 som mulig-gjør en montering av demperen på en ikke vist aksel som under bruk utsettes for torsjonsvibrasjoner.

Treghetsringen 24 er dreibart opplagret i forhold

til navelementet ved hjelp av en hylse 32 av lavfriksjon-lager^-materiale, eksempelvis polytetrafluoretylen, anordnet mellom den indre omkretsflaten til treghetsringen og navflensen 14.

En sideveis sentrering av treghetsringen inne i kammeret 20 oppnås ved hjelp av flere skivelignende puter 36 av lavfriksjons-materiale. Disse skivelignende puter er anordnet i respektive utsparinger i sideflatene 26, 28, i innbyrdes vinkelavstander. Putene 36 går inn i korresponderende utsparinger 40 i kammer-sideflåtene. Dimensjonene til disse utsparingene 40 er litt større enn dimensjonene til tilhørende puter 36, slik at derved treghetsringen kan utføre en bestemt vinkelforskyvning i forhold til navelementet. Denne vinkelforskyvning begrenses av putenes 36 samvirke med de respektive sider i de overdimensjonerte utsparinger 40.

Som best vist i fig. 1 og 2 er det på den indre, omkretsen til flensen 16 plassert flere radielt innover rettede vinger eller tenner 42. Disse går inn i respektive spor 44 mellom hosliggende, radielt utragende tenner 45 på treghetsringen 24, og strekker seg fra platen 12 til lokket 18. I fig. 1 og 2 er det bare vist et slikt vinge/sporpar, men flere slike vinge/sporpar er jevnt plassert rundt navet og treghetsringen. Som vist i tegningene er omkretslengden av. de enkelte spor 4 4 betydelig større enn omkretstykkelsen til vingene 42. Den radielt sett indre vingeflate har imidlertid bare en liten avstand fra bunnen av tilhørende spor 44. Vingene 42 deler de respektive spor 44 i to kammere . Volumet til det ene kammer vil variere omvendt i forhold til volumendringen av det andre kammer når vingen 42 forskyves i omkretsretningen i sporet 44. På i omkretsretningen avstandsplasserte steder i bunnen av sporet 44, og symmetrisk på hver side av tilhørende vinge, er det uttatt radielt rettede blindboringer 4 6, 48. Boringene 46, 48 i hvert spor 44 er plassert vekslende med hverandre rundt treghetsringens omkrets. Som vist i øvre halvdel av fig. 3 er den radielt sett indre ende av hver blindboring 46 forbundet med et ringspor 52 i en første sideplate 54 som er montert på den ene siden av treghetsringen. For-bindelsen tilveiebringes ved hjelp av en smal kanal 50. Ring-sp.oret 52 er luftet mot den radielt sett indre del av ringkammeret 20, som ved bruk av innretningen virker som gassreservoir. Denne lufteforbindelsen skjer gjennom en innsnevret passasje 56. Hensikten med dette er det gjort rede for nedenfor. På samme måte er hver blindboring 4 8 ved hjelp av en trang kanal 58 tilknyttet et ringspor 60 utformet i en andre sideplate 62, som også er montert på treghetsringen. Ringsporet 60

er på lignende måte luftet mot gassreservoiret som utgjøres av den radielt sett indre del av ringkammeret 20, og den innsnevrede forbindelse er betegnet med 64. Sideplatene 54, 62 kan være festet til treghetsringen på en hvilken som helst egnet måte, eksempelvis ved hjelp av de viste skruer 66.

Lokket 18 er forsynt med et par skrueplugger 68, 70 hvis hoder er forsynt med respektive O-ringer 72. Disse pluggene tjener til innstilling av et bestemt arbeidsnivå for en viskøs væske (fortrinnsvis silikon) i kammeret 20. Dette arbeidsnivå

er antydet med den stiplede linje 74. Kammeret 20 har en skrueplugg 76 som innbefatter en enveis ventil som muliggjør trykkbelastning av nitrogen eller annen inert gass i kammeret 20.

Demperen virker på følgende måte:

Demperen er tilknyttet en aksel, eksempelvis veivakslen i en forbrenningsmotor. Denne veivaksel vil utsettes for torsjbns-vibrasjon. Demperens nav utsettes for gjentatte vinkelakselera-sjoner i motsatte retninger, i tillegg til den vanlige ens-rettede rotasjon. Som følge av den viskøse kopling mellom treg hetsringen og navet, hvilken kopling skyldes tilstedeværelsen av den viskøse væske i kammeret 20, tas treghetsringen med rundt sammen med navet, slik at, dersom man ikke hadde torsjonsvibrasjonen, kunne.treghetsringen betraktes som stasjonær i forhold til navet. Torsjonsvibrasjonen kan således som årsaken til en oscillering- av navet i forhold til treghetsringen om en sentral stilling som er den som er vist i fig. 1 og 2.

Når denne oscillering resulterer i en dreiebeyegelse av navet i forhold til treghetsringen i en retning mot urviseren, som sett i fig. 1 og 2, så vil væsken i sporet 44 på venstre siden av vingen eller tannen 42, og den væske som inne-holdes i boringen 46, presses ned gjennom boringen 46 som

følge av at vingen 4 2 beveger seg mot urviseren. Volumet av kammeret 44a avtar altså. Samtidig vil væske i boringen 48 trekkes opp som følge av at kammerets 44B volum øker. Gasslommen 73a i bunnen av boringen 46 (dvs. under nivået som an-tydes med den stiplede linje 74) vil utsettes for en kompresjons-kraft under denne bevegelsen, og gasslommen 73b i bunnen av boringen 48 utsettes for et redusert trykk (sug). Den samme virkning får man for hvert vinge/sporpar rundt navet. Væsken til venstre for vingen 42 i fig. 2 virker således som et væske-stempel som trykker gasslommen 73 sammen i boringen 46. Gasslommen 72a virker derfor som en fjærkopling mellom navet og treghetsringen og tilveiebringer en fjæravstemningsvirkning som kan benyttes for optimalisering av demperens virkning.

Når navet deretter beveger seg i retning med urviseren i forhold til treghetsringen, slik at altså ringen 42 beveger seg mot høyre i fig. 2, reverseres rollene til de to boringene 46, og 48, og det er altså da gasslommen 73b i bunnen av boringen 48 som trykkes sammen.

Det er foran forutsatt at de herskende sentrifugal-krefter vil gi en fullstendig adskillelse av gass og væske i boringene 46 og 48. I praksis må man imidlertid regne med at så ikke alltid er tilfelle og.at boringene 46, 48 og eventuelt også sporet 44, inneholder et væske/gass-skum som hele tiden brytes ned av sentrifugalkreftene. I så tilfelle vil man få

en gjentatt sammentrykking av et skum i stedet for ren gass.

Forbindelsespassasjene 50, 52 og 58, 60 medfører at samtlige boringer som er "kompresjonsboringer" på et gitt tids punkt er forbundene med hverandre, og det samme gjelder for samtlige boringer som på et gitt tidspunkt er "sugeboringer". De innsnevrede luftepassasjer 56, 64 sikrer en stabil tilstand i hvilken boringene inneholder like gassvolumer, som er utsatt for like trykk, like etter innretningens igangkjøring. Lufte-passas jene 56, 64 er dimensjonert slik at ved et kompresjons-slag vil gass-strømmen gjennom passasjene være utilstrekkelig til å tillate at gasstrykket i boringene synker til et nivå svarende til gasstrykket i reservoiret. På lignende måte gjelder at under et sugeslag vil gass-strømmen 'gjennom lufte-passasjene være utilstrekkelig til å tillate en stigning av gasstrykket i boringene til et nivå svarende til gasstrykket i reservoiret.

Det riktige væskenivå i kammeret 20 oppnås ved å utnytte sentrilfugalkraften til å drenere væske gjennom pluggene 68 og 70. Disse pluggene er plassert med en innbyrdes avstand på 180°, og de samme radielle nivåer. Virkningene av en termisk ekspansjon av væsken reduseres til et minimum ved at væskenivået fastsettes slik at man får et. innelukket luft/ væskevolumforhold på ca. 1:1 ved arbeidstemperaturen.

Den fjærvirkning som man oppnår under utnyttelse av denne nye konstruksjon vil være en funksjon av det innvendige gasstrykk i systemet, og det kan være nødvendig å trykkbelaste gassen i kammeret 20 for å oppnå optimal avstemning. Dette oppnås eventuelt ved hjelp av enveisventilen 76.

Den foran beskrevene konstruksjon har flere for-deler: (a) . Bruk av en optimalisert av avstemningskarakteristikk resulterer i et behov for en lavere démpekoeffisient, hvilket muliggjør bruk av en viskøs væske i kammeret 20>hvilken væske har lavere viskositet enn i andre tilfeller.. (b) . Stivheten i koplingen mellom navet og treghetsringen, til-veiebragt av de sammentrykkede gasslommer som virker som fjærer, kan innstilles relativt enkelt ved å variere gasstrykket inne i demperen.

(c) . Demperens virkning kan beregnes og forutsis.

(d) . Demperens størrelse kan lett tilpasses kravene til alle størrelser forbrenningsmotorer.

Den mer detaljerte konstruktive utforming av navet og treghetsringen kan naturligvis adskille seg fra den som vist og beskrevet, så lenge man bare holder seg til de samme prinsipper.

Eksempelvis behøver ikke kammeret 20 være tilformet av flensene 14 og 16, som er utformet i ett med platen 12.

Som vist i fig. 5 kan vingene være utformet som separate deler og være festet til navet ved hjelp av bolter 85. Alternativt kan ringene være utført i ett med en hvilken som helst konstruk-tiv komponent som danner kammerets yttervegg 16.

Hylselagret 32 mellom treghetsringen 58 og navflensen 14 kan eventuelt erstattes av segment-lagerputer som er anordnet mellom treghetsringens ytre flate og den indre flaten på navflensen 16. Alternativt kan lagerputer også plasseres mellom den radielt sett indre omkrets av vingespissene og bunnen av sporene 44.

Claims (7)

1. Avstemt viskøs torsjonsvibrasjonsdemper innbefattende et ringformet navelement beregnet for montering på en aksel som under bruk utsettes for torsjonsvibrasjon, et ringformet treghetselement som er anordnet inne i et lukket ringkammér som bæres av navelementet, hvilket treghetselement er dreieopp-lagret i forhold til navelementet, med minst.en flate i en liten avstand fra i det minste en motliggende flate i kammeret, et viskøst fluidum anordnet under skjærkraftpåvirkning mellom de nevnte motliggende flater, og gassfjærer anordnet mellom navelementet og treghetselementet for tilveiebringelse av en torsjonselastisk kopling mellom navelementet og treghetselementet, hvilke gassfjærer utgjø res av gassvolumer som står i forbindelse med omkretsrom anordnet mellom løst i hverandre gripende tenner på henholdsvis navelementet oa treghetselementet, karakterisert ved at navet (10) har flere: tenner (4 2) som raqer radielt innover i ringkammeret (20) og inn i respektive omkretsgap mellom hosliggende, radielt utover-ragendé tenner på treghetselementet, idet omkretsrommene på de to sider av hver navtann (4 2) har direkte forbindelse med respektive i vinkelavstander anordnede og radielt innover rettede boringer 46, 48) i navelementet, hvilke boringer inneholder respektive gassvolum som. danner de nevnte gassfjærer.

2. Demper ifølge krav 1, hvor de enkelte radielle boringer (46, 48) er anordnet slik at samtlige gassfjærer- som på et gitt tidspunkt utsettes for kompresjon er sammenkoplet, og samtlige gassfjærer som på det tidspunkt utsettes for en ekspansjon, er sammenkoplet, karakterisert ved at sammenkoplingen av gassfjærene skjer ved hjelp av passasjer (50, 52) hvis tverrsnittsareal er lite sammenlignet med tverr-snittsarealet til de nevnte radielle boringer (46, 48).

3. Demper ifølge krav 2, karakterisert v e d. at forbindelsespassasjene (50, 52) er luftet mot et sted på utsiden av navelementet, men inne i det ringformede kammer (20).

4. Demper ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved en anordning plassert i de motliggende radielle sideflater på treghetselementet (24) og navelementet (lO), hvilken anordning begrenser den relative vinkelforskyvning mellom de to elementer til en bestemt verdi.

5. Demper ifølge krav 4, karakterisert ved at den nevnte anordning som begrenser den relative vinkelforskyvning mellom nav og treghetselement innbefatter flere fremspring (36) på et av elementene (24, 10), hvilke fremspring rager inn i respektive utsparinger (40) i det andre av de nevnte elementer, hvilke utsparinger (40) er over-dimensjonert i sideretningen i forhold til fremspringene (36) for derved å tillate den nevnte forutbestemte vinkelforskyvning.

6. Demper ifølge krav 5, karakterisert , ved at fremspringene (36) er fremstilt av et lavfriksjons-materiale.

7. ' Demper ifølge krav 5 eller 6,' karakteri s-' ert ved at fremspringene (36) innbefatter skivelignende puter, og at de overdimensjonerte utsparinger (4 0) har sirku-lært tverrsnitt.