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Vorrichtung zur Ermittlung und Beseitigung der das dynamische Gleichgewicht eines sich drehenden Körpers störenden Ursachen.
Der Gegenstand vorliegender Erfindung dient zur Feststellung und Beseitigung der das dynamische Gleichgewicht eines sich drehenden Körpers störenden Ursachen.
Zahlreich sind die Vorrichtungen, welche, obwohl mit grosser Präzision hergestellt, bei Drehung unter hoher Winkelgeschwindigkeit schwingen. Beispielsweise ist dies der Fall bei Schwungräder, Kurbelwellen-von Verbrennungsmotoren, Zentrifugalseparatoren, Kugeln und anderen mehr.
Theorie und Praxis weisen die Notwendigkeit einer vollkommenen dynamischen Ausbalancierung rotierender Körper nach, da andernfalls diese Körper Schwingungen ausgesetzt werden, welche auf die mit ihnen verbundenen anderen Mechanismen einwirken und deren Arbeitsweise ode ! Lebensdauer nachteilig beeinflussen. Die erforderliche Ausbalancierung zur Verhütung von Schwingungen hängt von dem statischen und dem dynamischen Gleichgewicht ab.
Unter dem statischen Gleichgewicht wird der Zustand verstanden, in welchem der Körperschwerpunkt auf seiner Drehachse liegt. Dieser Zustand kann durch bereits bekannte Verfahren erreicht werden, nach welchen jede Pendelbewegung oder alle Schwingungen, hervorgerufen durch den unausbalancierten Zustand, beobachtet werden, worauf zur Ausbalancierung die erforderliche Körpermasse weggenommen wird.
Das dynamische Gleichgewicht ist durch das Zusammenfallen des Körperschwerpunktes mit der Kör. perdrehachse sowie das Zusammenfallen der letzteren mit einer der Hauptträgheitsachsen bedingt. Dieser Zustand konnte bisher zusammen mit dem statischen Gleichgewichtszustande gleichzeitig nur sehr schwierig erlangt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die quantitative Wirkung der die Ausbalancierung des drehenden Körpers verhindernden Ursachen, als beispielsweise Luftlöcher o. dgl., festzustellen
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Zu diesem Zwecke wird der dynamisch nicht ausbalancierte 1 {örper mit einem dynamisch ausbalancierten verbunden, wodurch ein nicht balanciertes System entsteht. Hierauf wird der ausbalancierte Körper durch Gewichtsregulierung in einen solchen Zustand versetzt, dass das ganze System wieder ausbalanciert ist.
Das Versetzen des ausbalancierten Körpers in einen unausbalancierten Zustand kann dadurch geschehen, dass derselbe mit verstellbaren Gewichten versehen wird. Es kann ferner dafür gesorgt werden, dass man die Gewichte während der Drehung des Körpers verstellen kann.
Aus der Grösse der Gewichte und dem Betrage ihrer Verstellung können die Menge und die Lage der Massen ermittelt werden, die vom unausbalancierten Körper zu entfernen bzw. an ihm anzubringen sind, um ihn auszubalancieren.
Die Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigen :
Fig. I eine schematische Ansicht der üblichen Methode zur Feststellung der den unausbalancierten Zustand des sich drehenden Körpers hervorrufenden Stelle.
Fig. 2 ein Diagramm zur Bestimmung des Drehmomentes der Fliehkräfte.
Fig. g eine Ansicht einer Vorrichtung gemäss dieser Erfindung, in welcher die Drehungsachsen der beiden Körper zusammenfallen.
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Fig. 4 eine Vorrichtung, in welcher die Drehungsachsen des unausbalancierten und des ausbalancierten Körpers nicht zusammenfallen, sondern parallel zueinander in einer Ebene liegen.
Fig. Fig-5 eine Ansicht der dynamisch ausbalancierten Trommel zur Einstellung der beweglichen Gewichte während der Drehung der ersteren.
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 7-7 der Fig. und
Fig. 7 einen vergrösserten Teilschnitt des das Gewicht einstellenden Mechanismus.
Nach Fig. i dreht sich ein Körper 15 bei hoher Winkelgeschwindigkeit auf der in Lagern 17 leicht spielenden Drehachse 16, deren Antrieb beliebig, im vorliegenden Falle elektromotorisch (18, 19, 20, 21), eifolgt. Auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers angebrachte Anreissvorrichtungen 22, 'werden so eingestellt, dass der unausbalancierte Körper während seiner Drehung in den quer zur Drehachse spielfreien Lagern 1'l einen oder beide Anreisser berührt, welch letztere die Oberfläche des Körpers einritzen. Nach diesen Ritzen kann die ungefähre Stelle ermittelt werden, an der eine bestimmte Masse entfernt werden muss, um dem Körper das dynamische Gleichgewicht zu geben.
Eine bestimmte Angabe der genauen Stelle, von der die Körpermasse zu entfernen ist, oder eine Angabe der erforderlichen Betragshöhe der zu beseitigenden Masse zu dem gewünschten Zwecke kann vermittelst der eben beschriebenen Vorrichtung nicht erzielt werden. Mühselig Versuche nach dieser Richtung sind vielmehr notwendig, welche aber nur von teilweisem Erfolge gekrönt sind.
Nach einem bekannten Verfahren ist. es möglich, dem Körper das statische Gleichgewicht dadurch zu geben, dass dieser auf seiner Welle auf Parallel-oder Schneidekanten gelagert und dann die notwendige Masse an ihm entfernt wird. Also beispielsweise, es bestehe eine schwere Stelle S in der Entfernung R von der Drehachse auf einer Seite. Zur Ausgleichung dieser Stelle sei eine zweite, ebenfalls in der Entfernung von der Drehachse, aber auf der anderen Seite gelegene Stelle s gedacht ; der Körper wäre statisch ausbalanciert, wenn S R = s r. Diese Art des Massenausgleiches ist indessen schwierig. Vielmehr wird man eine entsprechende Masse auf der Seite der Drehachse, auf welcher die Stelle S liegt, abnehmen.
Alles, was zu diesem Zwecke erforderlich, ist, besteht in der Wahl der best brauchbaren Stelle, von der die Masse weggenommen wird ; man misst die radiale Entfernung r von der Achse und löst die obige Gleichung nach s auf.
Auf diese Weise balanciert man den Körper vollkommen aus. Dreht sich jedoch der Körper bei hoher Geschwindigkeit, so entstehen heftige Schwingungen. Gewisse Zentrifugalkräftepaare werden wirksam, welche eine nachteilige Schwingung des ganzen Systems hervorrufen und welche durch die bisher bekannten Verfahren nicht gänzlich vernichtet werden konnten.
Bei Drehung eines Körpers mit hoher Geschwindigkeit können zur Feststellung, ob der Körper ausbalanciert ist oder nicht, seismographische Vorrichtungen benutzt und auf diese Weise die entstehenden Schwingungen aufgezeichnet werden.
Die einfachste Anordnung gemäss vorliegender Erfindung zeigt die Fig. 3, nach welcher eine oder mehrere kreisrunde, fest auf einer in Lagern 27 in einem Gestell umlaufenden Welle 26 angebrachte Scheiben 25 vorgesehen sind. Die Welle 26 kann elektromotorischen Antrieb (29, 30, 31, 32) erhalten, Ein rotierender Körper 35 auf der Welle 26 weist unregelmässige, unausbalancierte Teile 36 auf, während parallel zu der Drehungsachse einstellbare (38), durch die Scheiben 2o laufende Stangengewichte 37 vorgesehen sind. Dieser Mechanismus als Ganzes wird von einer Federung 39 und einem Scharnier 40 getragen, welche beide auf einer auf Böcken 42. lagernden Grundplatte 41 ruhen.
Die Federung 39 ist unter Belastung bestimmten, periodisch eintretenden natürlichen Schwingungen ausgesetzt, woiauf später näher zurückgekommen werden soll.
Die Scheibe 25 und die Stangengewichte 37, vorausgesetzt letztere befinden sich in ihren neutralen Stellungen und sind nicht mit einem unausbalancierten Körper verbunden, bilden
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veranschaulichten, durch Elektrizität, Wasser oder andere Mittel betriebenen Mechanismus durchgeführt.
Die Fig. 4 zeigt eine Balanciermaschine, in welcher die Drehachse des zu untersuchenden Körpers parallel zu der entsprechenden Achse des Körpers, ausgestattet mit den einstellbaren Stangengewichten, liegt und nicht damit zusammenfällt. Ein gleiches Resultat ergibt sich, wenn die Achse nicht parallel, sondern in der gleichen Ebene liegt. Ausserdem werden die Körper von einem federnden und drehbaren Gestell getragen. Die Federung ist unter Belastung bestimmten, periodisch sich wiederholenden eigenen Schwingungen unterworfen. Die Ausführung der Vorrichtung ist folgende :
Auf dem festen Fundamentgestell 45, 46 ruht unter Zwischenschaltung von Federungen 48 und Scharnieren 47 eine starre Platte 49, auf welcher eine einstellbare Vorrichtung 50 und eine feste Vorrichtung 51 angebracht sind.
Die Linie, um welche das System ausschwingt, steht senkrecht zur Ebene, welche durch die Umdrehungsachsen des Balancier-und des zu prüfenden Körpers bestimmt ist.
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genommen und kann entsprechend seiner Schwere Zwischenlager zur Abstützung erhalten.
An der Unterseite der Platte 49 hängt in dem Lager 60 ein Körper 61 von einstellbarem dynamischen Gleichgewicht ; ein solcher Körper wurde bereits vorher als "Trommel" bezeichnet.
Diese "Trommel" wird ebenfalls durch Motorkraft (56, 62) betrieben. Durch die getroffene Anordnung laufen die beiden über und unter der Platte 49 lagernden Körper synchron, wobei das von der Platte 49 getragene System das Bestreben zeigt, auszuschwingen ; es bewegt sich als eine Einheit und ohne Biegsamkeit zwischen den einzelnen Elementen, aus denen es besteht.
Mit dieser Ausführung ist es möglich, jeden auf den Spindeln 54, 5/5 drehbaren Körper ohne Rücksicht auf Form und Gewicht der einstellbaren Trommel''M auszuprüfen. Da's Prinzip der Arbeitsweise der Vorrichtung ist ähnlich der zuvor beschriebenen. Die richtige Regulierung der Trommel 61 bewirkt bei unausbalanciertem Körper 58 und den dadurch entstandenen Ausschwingungen der Platte 49 die Ausbalancierung des Systems und verringert gleichzeitig die Schwingungen, bis letztere ganz aufhören. Die Anordnung der Körper kann auch eine umgekehrte sein. Weiter kann die drehbare Anordnung der Körper auf vertikalen Achsen erfolgen, wobei das Gestell von einer horizontalen, vibrierenden Achse senkrecht zur Ebene der parallelen Drehachsen der Körper getragen wird.
Die Schwingung des Gestells wird durch eine Federung beeinflusst.
Diese Anordnung ersetzt die bekannten Anreissstifte 22, 22', deren Verwendung deshalb nicht zu empfehlen ist, weil sie mehr oder weniger synchron zu der Schwingung des sich drehenden
Kölpers ausschwingen ; auch sind sie, da unstet und unregelmässig in ihrer Arbeitsweise mit Bezug auf die Bewegung des Körpers, unzuverlässig in der Angabe ohne Rücksicht auf die Drehgeschwindigkeit des Körpers, da der an sich unvorteilhafte Phasenunterschied nicht konstant bleibt.
Würde die Schwingung der Anreissstifte stets auf demselben Wege mit konstantem Phasenunterschiede erfolgen, so wäre es möglich, die Drehrichtung umzukehren. Da dies aber nicht der Fall ist, wird das Verfahren für jede genaue Arbeit unpraktisch. Der einzige genaue Weg liegt in der schwingbaren Anordnung der Grundplatte der Balanciermaschine, derart, dass sie damit in Resonanz ausschwingt, sobald ein unausbalanzierter Körper auf eine bestimmte Drehgeschwindigkeit gebracht ist, welche ziemlich tief unter der beabsichtigten Geschwindigkeit, bei welcher der Körper sich drehen sollte, liegt.
Im vorliegenden Falle besitzt die zur Verwendung gelangende Federung eine bestimmte Eigenschwingungsperiode und besteht aus auswechselbaren Federn bekannter Schwingungsfrequenz unter Belastung. Wenn nun der sich auf dieser Federung drehende Körper nicht vollkommen ausbalanciert ist, sobald seine Tourenzahl synchron zu der bekannten natü-liehen Frequenz dieser Federn ist, so werden letztere zusammen mit irgendeinem damit verbundenen Mechanismus sofort durch die bestehende Resonanz ausschwingen und dahin wirken, die durch den unausbalancierten Körper S hervorgerufenen Schwingungen zu verstärken.
Die Fig. 5,6 und 7 zeigen Einzelheiten des regulierbaren Ausbalancierkörpers ; sie bestehen
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Achse 66'drehbare Trommel bildet. Die Stangen sind mit Nuten 67 versehen, in welche längsbewegliche Gewichte 68, die ihrerseits mit Zähnen 69 versehen sind, eingreifen. Auf jeder der Stangen 66 sitzen in Abständen geflanscht Ringe 70. Die Flanschen 71 dienen zur Lagerung von Flügelrädern 74, 75, deren Axialbohrung gezähnt (76) ausgeführt ist, wobei die Zähne in Eingriff mit den Zähnen des Gewichtes 68 stehen, um dadurch letzteres in den Nuten der Stangen 66 zu steuern.
Zur Betätigung der Gewichte während der Bewegung der Vorrichtung kann Flüssigkeit verwendet werden, welche, gegen die betreffenden Flügel des Rades gerichtet, einen unterbrochenen
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Antrieb bildet und allmählich das Gewicht nach Wunsch einstellt. Mit dem gleichen Erfolge kann ein elastischer Stab 78 (Fig. 6), beispielsweise Kautschuk oder Leder, von Hand in der Bahn der drehenden Räder (74, 75) gehalten werden. Um eine entgegengesetzte Einstellung der Gewichte vorzunehmen, wird die Bewegung der Körper umgekehrt, wobei die Arbeitsweise im übrigen dieselbe ist, wie beschrieben.
Die endgiltige Stellung der Gewichte ist somit diejenige, bei welcher die Körper, gleichviel ob auf zusammenfallenden oder parallelen Achsen, synchron mit der gewünschten Geschwindigkeit sich ohne Schwingung, welche nach einer die geringste Erschütterung verstärkenden Vorrichtung übertragen werden könnte, drehen. Weiters wird die Grösse der Masse und das Verhältnis der Winkel und Radiallagen, von welchen eine bestimmte Masse des zu prüfenden Körpers zu entfernen ist, durch die Gewichtseinstellung leicht bestimmt, um schliesslich die Ausbalancierung des Körpers durch Bohrung in die ausgewählten Stellen der Körperobeinäche und Entfernung der erforderlichen Gewichtsmasse oder auf dem, anderen Wege durch Hinzufügen einer bestimmten Gewichtsmasse zu erreichen.
PATENT-ANSPRÜCHE : I. Vorrichtung zur Ermittlung und Beseitigung der das dynamische Gleichgewicht eines sich drehenden Körpers störenden Ursachen, gekennzeichnet durch einen mit dem zu prüfenden Körper zu verbindenden, drehbaren Körper, wobei letzterer auf einer in einer Ebene mit der Achse des zu prüfenden Körpers angeordneten Achse sich dreht und einstellbare Stangengewichte besitzt, welche dazu dienen, das Trägheitsellipsoid des aus diesem Körper und dem zu prüfenden Körper bestehenden Systems zu ändern.