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Vibrator mit dynamisch entlasteten Arbeitsteilen und
Frequenzmultiplikator
Die Erfindung betrifft einen Vibrator mit dynamisch entlasteten Arbeitsteilen und Frequenzmultipli- kator und mit einer als Unwuchtkörper wirkenden Walze, die auf der zylindrischen Innenfläche eines
Gehäuses rollt.
Zweck der Erfindung ist die Erzielung von hohen mechanischen Vibrationsleistungen und höheren Frequenzen, wobei die Teile des Vibrators in der Hauptsache entlastet werden. Die bisherigen Konstruktionen der mechanischen Vibratoren hatten entweder nur teilweise eine Entlastung der empfindlichen Teile (der Lager) oder überhaupt keine, was häufige Defekte solcher Vibratoren zur Folge hatte. Um höhere Frequenzen zu erreichen, wurden Hochfrequenz-Vibratoren mit Spezial-Hochfrequenzmotoren und dazugehörigen Einrichtungen (elektrische Frequenzumformer, Vorgelege, flexible Wellen und Zahnrad-bzw. Riemengetriebe für den mechanischen Antrieb der Vibratoren) verwendet.
Ziel der Erfindung ist es, einen Vibrator zu schaffen, dessen lebenswichtige Teile von den dynamischen Stössen vollkommen entlastet sind. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die in dem von einem Ring umschlossenen Gehäuse mittels druckmittelgefüllter Ringbehälter elastisch gelagerte Welle symmetrisch angeordnete Arme mit an deren Enden befestigten Kugeln aufweist, an welche mittels Kugelpfannen je ein Hebel angelenkt ist, welche Hebeln mit Lagern verbunden sind, von denen die einen Lager die Zapfen der Walze aufnehmen, wogegen die andern Lager lediglich als Fliehgewichtsausgleich vorgesehen und mit den erstgenannten Lagern über je eine durch eine Ausnehmung der Welle hindurchgeführte Verbindungsstange paarweise verbunden ist, so dass alle rotierenden Teile mit Ausnahme der Walze vollkommen symmetrisch zur Welle angeordnet sind,
wobei der das Gehäuse umschliessende Ring mit dem in Schwingung zu versetzenden Körper in Verbindung steht.
Vorzugsweise sind auf beiden Seiten des Gehäuses je ein Paar innere und äussere Halteringe angeordnet, zwischen welchen sich die äusseren Teile der Ringbehälter befinden, welch letztere an der Innenseite von Haltekörpern umfasst sind, in denen die Lager der Welle liegen. Erfindungsgemäss sind die beiden Ringbehälter zum Druckausgleich durch eine Rohrleitung verbunden.
Um höhere Frequenzen durch die Vervielfältigung der Grundfrequenz auf einfache Weise durch unbewegliche Teile zu erzielen, befinden sich erfindungsgemäss an der äusseren Mantelfläche des Gehäuses und der inneren Mantelfläche des dieses umfassenden Ringes mehrere paarweise einander gegenüberliegende, im wesentlichen halbzylindrische Ausnehmungen, in welchen zylindrische Übertragungskörper mit Spiel angeordnet sind, wobei ausserdem an der äusseren Mantelfläche des Gehäuses und der inneren Mantelfläche des Ringes weitere ebenfalls im wesentlichen halbzylindrische Ausnehmungen paarweise einander gegenüberliegend vorgesehen sind. in welche für den Fall, als die durch die zylindrischen Körper erzielbaren Schwingungen ausgeschaltet werden sollen, Verriegelungs- (Verbindungs)-Bolzen spielfrei einsteckbar sind.
Beim erfindungsgemässen Vibrator werden keine zusätzlichen Einrichtungen und Übertrager zur Erreichung von höheren Hochfrequenzen (einige hunderttausend Schwingungen pro Minute) benötigt. Bis zu dieser Erfindung konnte die Erzeugung leistungsfähiger mechanischer Hochfrequenz-Vibratoren wegen der vorerwähnten Nachteile (Beschädigungen und Versagen der lebenswichtigen Teile) nicht in die Tat
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umgesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, in welchen die Fig. l den Vibrator im Längsschnitt und die Fig. 2 im Schnitt A-B zeigt.
Der Vibrator besteht aus dem Gehäuse 1, in welchem die Walzen 5 untergebracht sind, deren Zapfen auf beiden Seiten in Lagern 7 liegen. Diese sind mit den Hebeln 6 verbunden, die mittels der Kugelpfannen 8 an den Kugeln 10 angelenkt sind. Die Arme 9 und 9A sind symmetrisch an der Welle 19 angeordnet und drehen sich synchron mit derselben. An den Enden der Arme 9 und 9A sind Kugeln 10 und 10A befestigt, die mit den Armen 9 und 9A kinematisch und dynamisch eine Einheit bilden. An beiden Enden des Gehäuses 1 befinden sich innere 11 und äussere Halterungen 13 zur Aufnahme des Ringbehälters 12. Die beiden Ringbehälter 12 sind zum Druckausgleich über eine Rohrleitung 14 verbunden. Die Innenseite der Ringbehälter 12 ist von Haltekörpern 17 und 20 umfasst, in denen die Lager 15 und 16 der Welle 19 liegen.
An der Ausgangsseite der Welle 19 befindet sich eine Dichtung 18. An der äusseren Mantelfläche des Gehäu- ses 1 und der inneren Mantelfläche des dieses umfassenden Ringes 2 befinden sich mehrere paarweise einander gegenüberliegende, im wesentlichen halbzylindrische Ausnehmungen 23, 24, in denen zylindrische Übertragungskörper 3 mit Spiel angeordnet sind und die an der Seite von den Dek- keln 4 gehalten werden. Ausserdem befinden sich an der äusseren Mantelfläche des Gehäuses 1 und der inneren Mantelflache des Ringes 2 weitere, ebenfalls im wesentlichen halbzylindrisch, paarweise einander gegenüberliegende Ausnehmungen, in die die Verriegelungsbolzen 21 spielfrei eingesteckt sind, die an beiden Seiten von den Deckeln 4 gehalten werden. Durch die Gewindebohrung 22 wird der Vibrator an dem Stampfer befestigt.
Die Verbindungsstange 25 geht durch die Ausnehmung 26 der Welle 19 und verbindet die Lager 7 mit den Lagern 7A, die über die Teile 6 und 6A, an den Kugeln 10 und 10A angelenkt sind.
Der erfindungsgemässe Vibrator arbeitet so, dass die Drehung der Welle 19 über die Arme 9 auf die Hebel 6 übertragen wird und diese die Walze 5 mitziehen (die Drehung erfolgt im Sinne des Pfeiles in Fig. 2). Die Walze 5 rollt auf der inneren Fläche des Gehäuses 1 und ruft die Zentrifugalkraft hervor, die dann durch die Verriegelungsbolzen 21 auf den Ring 2 übertragen wird.
Die Lager 15 und 16 sind von dieser Kraft entlastet, weil die Walze 5 radial frei ist (kann um die Kugeln 10 pendeln) und auch darum, weil die Kugeln 10A und 10 sowie die Arme 9A und 9 vollkommen gleich und in bezug auf die Drehachse symmetrisch sind, so dass die Zentrifugalkräfte, die von diesen Teilen herrühren, immer gleich und entgegengesetzt sind, wodurch sie sich aufheben. Ferner sind die Teile 6 und 6A, 7 und 7 A, 8 und 8A untereinander gleich und in bezug auf die zentrale Drehachse symmetrisch, so dass die Zentrifugalkräfte. die von diesen Teilen herrühren, immer gleich und entgegengesetzt sind. Mit Rücksicht darauf, dass die Teile 7 und 7A untereinander durch die Verbindungsstange 25 verbunden sind, so heben sich die Zentrifugalkräfte, die von den Teilen 6 und 6A, 7 und 7A, 8 und 8A herrühren, ebenfalls immer auf.
Auf diese Art sind die Lager 7 von der Wirkung der Zentrafugalkräfte entlastet.
Die Lager 15 und 16 sind dynamisch vollkommen entlastet, da sich die Antriebsteile der Walze 5 dynamisch ausbalancieren, u. zw. Teil 9 mit Teil 9A, Teil 10 mit Teil 10A, Teil 6 mit Teil 6A, Teil 7 mit Teil 7A durch die Verbindungsstange 25, die auch dynamisch ausbalanciert ist und die Teile 7 und 7A verbindet.
Zwischen der Kugel 10 und der Kugelpfanne 8 (bzw. 10A und 8A) besteht eine Feinpassung, ähnlich wie bei einem Kugelgelenk, das wohl bekannt ist.
Die Fliehkraft, die durch das Rotieren der Walze 5 entsteht, wird auf das Gehäuse 1 übertragen, aber nicht auch auf die Lager 15 und 16, da dieselben durch die Ringbehälter 12 gegen das Gehäuse isoliert sind.
Die Lager 7 sowie die Lager 15 und 16 sind ebenfalls entlastet, sogar auch dann, wenn die Achsen des Gehäuses 1 und der Welle 19 nicht zusammenfallen, da die Kugelgelenke mit den Teilen 8 und 10 auch eine axiale Lagerung des Hebels 6 gestatten (axiale Einstellungsfreiheit).
Auf oben beschriebene Weise wurde ein freies Abrollen der Walze auf der Innenseite des Zylinders sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ermöglicht, wodurch auch eine völlige Entlastung aller lebenswichtiger Teile in allen Arbeitsstellungen erreicht wird.
Die Rotations- (Zentrifugal-) - Kraft wird von der Walze 5 auf das Gehäuse l und weiter durch dieses auf den Arbeitskörper mittels der Verriegelungsbolzen 21 und des Ringes 2 übertragen. In diesem Fall bilden die Schwingungsmasse die Teile 5,21, 2 und der Arbeitskörper sowie die Zusatzmasse, mit welcher der Vibrator verbunden ist. Die Oszillation dieser Schwingungsmasse wird sich nur
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gedämpft auf die Lager 15 und 16 übertragen, da sie in den Körpern 17 und 20 eingebettet sind, die von der Schwingungsmasse durch die Ringbehälter 12 getrennt sind. Durch die Rohrleitung 14 wird der Luftdruck (Druck des Fluidums) in beiden Behältern 12 ausgeglichen und dadurch wurde auch das Problem der symmetrischen Lagerung der Welle 19 im Gehäuse 1 gelöst.
Durch die Regelung des Luftdruckes im Behälter 12 wird auch die Frage des erforderlichen Dämpfungsgrades der äusseren
Schwingungen in bezug auf die Körper 17 und 20 gelöst.
Ausser der völligen Entlastung der lebenswichtigen Teile bietet der Vibrator laut dieser Erfindung auch die Möglichkeit einer Vervielfältigung der Grundfrequenz. Dies wird durch Teilung der Schwin- gungsmasse des Vibrators selbst in zwei Teile erreicht : des Gebers und des Empfängers. Den Empfänger bilden im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und 2 die Elemente 2, 3 und 4 während alle übrigen Teile ohne Bolzen 21 den Geber bilden. Der Geber des Vibrators wird vom Empfänger durch entsprechende
Luftspalten (Spiele) zwischen dem Gehäuse 1 und dem Ring 2 getrennt, sowie auch durch das Spiel mit dem die zylindrischen Körper 3 in den Ausnehmungen 23 des Gehäuses 1 und den Ausneh- mungen 24 des Ringes 2 gelagert sind.
Die Grösse dieses Luftspaltes, oder besser gesagt Spieles, ist von der Amplitude der Verstellung des Gebers abhängig und wird gewöhnlich von 0, 3 bis 0, 4 der Amplitude des Gebers eingeregelt.
Der Vibrator arbeitet bei vervielfältigten Frequenzen ohne Verriegelungsbolzen 21 auf folgende
Art : Der Geber des Vibrators unter Einwirkung der Zentrifugalkraft führt kreisende Oszillationen aus.
Wenn um diesen Teil die zylindrischen Körper 3 und der Ring 2 mit einem Spiel, dass kleiner als die Amplitude seiner Verstellung ist, eingestellt werden, wird der Geber mit dem Empfänger über die zylindrischen Körper 3 zusammenstossen. Jeder Zusammenstoss der abgebenden Schwingungsmasse (des Gebers) mit dem Empfänger entspricht einem Impuls. Die Gesamtzahl der Impulse für eine Umdrehung der Zentrifugalkraft ist der Anzahl der zylindrischen Körper gleich. Die Stärke des Zusammensto- sses unter sonst allen andern unveränderlichen Umständen hängt von der Grösse des Spiels zwischen der abgebenden und der empfangenen Masse ab. Die besten Erfolge werden durch Spiele erzielt, die annähernd der halben Amplitude der Verstellung von der abgebenden Masse entsprechen.
Wenn an die Empfängermasse ein Arbeitskörper von relativ grosser Masse angebaut wird, wirft die Dreherregungskraft die zu übergebende Masse stufenweise von einem zylindrischen Körper 3 auf den andern und die Stossimpulse werden über den Ring 2 auf den Arbeitskörper nm Schwingungen in der Minute übertragen, wobei n die Winkelfrequenz der Zentrifugalkraft und m der Vervielfältigungsfaktor, welcher der Anzahl der zylindrischen Körper 3 entspricht, ist.
Eine zeitlich ausgeglichene Frequenz wird bei n =konstant durch eine gleichmässige symmetrische Anordnung der zylindrischen Körper 3 erreicht. Wenn die Winkelzwischenräume zwischen den zylindrischen Körpern 3 nicht gleich sind, ändert sich die Frequenz des Arbeitskörpers ständig, u. zw. in Abhängigkeit von den Winkelabständen der zylindrischen Körper 3. Dies ist sehr wichtig für den Fall, wenn eine entsprechende Ungleichmässigkeit der Frequenz erzielt werden soll.
Mit Rücksicht darauf, dass die Stärke der auf den Arbeitskörpern übertragenen Impulse auch von der Grösse des Spiels zwischen der Geber- und Empfängermasse abhängig ist, werden bei gleichen Spielen und gleichen Winkelabständen der Walzen auch die Stärken der einzelnen Impulse ebenfalls gleich sein. Dieser Umstand bietet die Möglichkeit, Impulse von verschiedenen Stärken dadurch zu erzielen, dass die zylindrischen Körper 3 mit verschiedenen Spielen eingestellt werden.
Mit Hilfe der Verriegelungsbolzen 21 werden die Geber-und Empfängermassen in eine mechanische Einheit ohne Zwischenspalten verbunden und in diesem Fall arbeitet der Vibrator, als ob eine Vervielfältigung der Frequenz überhaupt nicht wäre.
Da auf diese Weise die Elemente für die Vervielfältigung der Frequenz blockiert werden können, kann der Vibrator nach dieser Erfindung nach mit mehreren zylindrischen Körperkränzen und mehreren Verriegelungsbolzen für jeden Kranz gebaut werden. Die Zylinderkränze können so ausgeführt werden, dass einer um den andern liegt, u. zw. mit verschiedener zylindrischer Körperzahl, wodurch der Grad der Vervielfältigung der Frequenz für jeden Kranz verschieden ist bzw. können die Kränze dieselbe Anzahl von zylindrischen Körpern und verschiedene Spiele enthalten, so dass die Stärke der vervielfältigten Impulse in jedem Kranz eine andere wird. Dies alles bietet eine Fülle von Möglichkeiten, die Parameter der Oszillationsprozesse beim Vibrator dieser Art zu verändern.
Es muss die Tatsache hervorgehoben werden, dass unter allen Arbeitsbedingungen die lebenswichtigen Teile des Vibrators zur Gänze sowohl von der Einwirkung der inneren Zentrifugalkräfte als auch von der Einwirkung der äusseren Impulskräfte entlastet sind.