Gerät zur Messung von Drehschwingungen
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Drehschwingungen, das mit einem mit der zu prüfenden Welle drehfest kuppelbaren, hohlzylindrischen Gehäuse sowie mit einer in diesem koaxial gelagerten trägen Drehmasse versehen ist, die mit dem Gehäuse in Drehrichtung federnd verbunden ist und deren Drehausschläge relativ zum Gehäuse durch eine Messvorrichtung feststellbar sind.
Messgeräte dieser Gattung können bei der Vornahme von Messungen durch die zu prüfende Welle zu Eigenschwingungen angeregt werden, was das Resultat der Beobachtungen stört. Um diese unerwünschten Erscheinungen zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, das Gerät mit einer Dämpfung zu versehen. Bei bekannten Drehschwingungsmessgeräten oder Torsiographen ist zwischen den beiden gegeneinander schwingbaren Drehkörpern eine Reibungsbremse trockener oder flüssiger Art geschaltet.
Solche Anordnungen befriedigen aber nicht, weil sie grosse Phasenverschiebungen hervorrufen, was zu starken Verzerrungen des Schwingungsbildes führt.
Erfindungsgemäss sollen diese Nachteile dadurch vermieden werden, dass die Drehmasse einen vollständig geschlossenen Hohlzylinder bildet und dass in diesem ein Rotationskörper untergebracht ist, der mittels besonderer koaxialer Lager in der Drehmasse frei drehbar gelagert ist und dessen Oberflächen durch mit viskoser Flüssigkeit ausgefüllte Spalte von den angrenzenden Innenwänden der Drehmasse getrennt sind.
Mit der Erfindung kommt also eine dritte Masse zur Anwendung. Es hat sich dabei gezeigt, dass mit einem solchen Gerät Schwingungen gemessen werden können, deren Frequenz sehr nahe der Eigenfrequenz des Gerätes liegt, ohne dass wesentliche Phasenverschiebungen eintreten. Demgegenüber geben Geräte mit der genannten bekannten Dämpfungsart erst für Schwingungsfrequenzen von mehr als etwa dem 3bis Sfachen der Eigenfrequenz brauchbare Resultate.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Gerät im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, etwas verzerrt und in anderem Massstab, und
Fig. 3 das elektrische Schema der Messvorrichtung des Gerätes.
Das zur Messung von Torsionsschwingungen bestimmte Gerät, auch Torsionsfühler genannt, besitzt ein hohlzylindrisches Gehäuse 1, das mit der zu prüfenden Welle mittels Überwurfmutter 2 drehfest gekuppelt wird. Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich der als träge Drehmasse 3 wirkende Rotor, der auf Kugellagern 4 koaxial im Gehäuse 1 gelagert und durch die beiden Federchen 5 mit diesem in Drehrichtung elastisch gekuppelt ist. Der im Stützring 4a befestigte Stift 11 greift in eine kreisbogenförmige Nut 12 der Drehmasse 3 und begrenzt so die Drehausschläge zwischen den beiden Hohlzylindern.
Die bei der Untersuchung auftretenden Relativdrehungen zwischen Gehäuse 1 und Drehmasse 3 werden auf elektrischem Weg gemessen, und zwar arbeitet der Torsiograph kapazitiv. Der Torsionsfüh ler stellt im wesentlichen eine variable Kapazität dar, die sich mit der rotierenden Welle dreht und sich im Ausmass der Relativdrehausschläge verändert. Die auf diese Weise auftretenden Veränderungen der Kapazität werden durch eine elektrostatische Messmethode gemessen und können in einem Kathodenstrahloszillographen sichtbar gemacht werden. Zu diesem Zweck ist der in das Gehäuse 1 eingeschobene Käfig 6 mit vier Segmenten 7 versehen, welche mit den entsprechenden Segmenten 8 der Drehmasse 3 einen Kondensator bilden. Der ganze Torsionsfühler bildet somit einen variablen Zylinderkondensator, dessen Kapazität von der Drehstellung des Gehäuses zur Drehmasse abhängig ist.
Um die beiden Teile des Kondensators elektrisch vollständig voneinander zu isolieren, sind die Kugellager 4 durch Isolationsringe 9 abgestützt und die äussern Enden der Federchen 5 mittels eines Isolierringes 10 am Gehäuse 1 befestigt.
Im Deckel 13 befindet sich ein Isolator 14 mit der Nadelführung 15 und dem Kontaktstift 16. Diese Kontaktführung stellt die elektrische Verbindung der Drehmasse mit einem Nadelkontakt 19, einem daran anschliessenden Vorverstärker 20 und z. B. einem Kathodenstrahloszillographen 21 dar. Auf diese Weise können die Drehschwingungen der Prüfwelle auf dem Schirm des letzteren sichtbar gemacht und gleichzeitig photographisch registriert werden.
Um die Eigenschwingungen der Drehmasse möglichst zu unterdrücken und einen flachen Verlauf der Resonanzkurve sicherzustellen, ist eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Drehmasse 3 als vollständig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet und mit der Drehachse 26 dicht und starr verbunden. Im Innern befindet sich als zweite Drehmasse ein Rotationskörper 24, der mittels der Kugellager 25 und der im Innern verdickten Achse 26 in der Drehmasse 3 koaxial gelagert ist. Dessen Oberflächen sind durch Spalte 27 von den angrenzenden Innenwänden des Rotationskörpers 24 getrennt. Die Spalte 27 und die übrigen Hohlräume im Innern der Drehmasse 3 sind mit einer viskosen Reibungsflüssigkeit ausgefüllt, z. B. mit Öl von geringer Temperaturabhängigkeit der Viskosität.
Die Wirkungsweise der Dämpfungseinrichtung ist folgende: Wenn das Gerät an eine drehende und zu prüfende Welle angeschlossen ist, wird der Rotationskörper 24 von der Drehmasse 3 durch die Viskositätswirkung der mit Öl ausgefüllten Spalte 27 in der Drehrichtung des Gerätes mitgenommen. Er hat dann das Bestreben, die einmal erlangte Drehgeschwindigkeit beizubehalten, und übt dadurch eine dämpfende Wirkung auf die Schwingungsausschläge der Drehmasse 3 aus. Namentlich werden auf diese Weise grössere Schwingungsausschläge im Bereich der Eigendrehschwingungszahl des Systems unterdrückt, wobei durch die zwischen den beiden Drehmassen auftretenden Reibkräfte Schwingungsenergie der Drehpendelung aufgezehrt wird.
Das radiale Lagerspiel der Kugellager 4 ist ausserordentlich klein, etwa in der Grössenordnung von einigen Tausendstelmillimetern, während die Breite der Radialspalte 27 z. B. zwei bis vier Zehntelmillimeter beträgt. Deshalb kann sich die Breite der Spalte beim Benutzen des Gerätes und in irgendeiner Raumlage höchstens im Ausmass des Lagerspiels verändern.
Das Kugellager weist ferner im Vergleich zum Gleitlager den Vorteil auf, dass sein Drehwiderstand ausserordentlich klein ist und überdies mit wachsender Umlaufzahl sich nur unwesentlich vergrössert. Alle diese Eigenschaften sind für Messinstrumente, wie dem vorliegenden, von ausschlaggebender Bedeutung, weil sie eine hohe Konstanz der Messresultate bei unterschiedlichen Temperaturen sowie bei verschiedenen Drehzahlbereichen und Lagen der zu prüfenden Welle gewährleisten.
Um einen Vorratsraum für viskose Reibungsflüssigkeit zu schaffen, ist die Achse 26 in ihrem verdickten Mittelteil hohl ausgebildet. Die in diesem Vorratsraum 2 & befindliche Flüssigkeit kommuniziert durch Löcher 29 mit den Spalten 27. Auf diese Weise werden Luftbläschen, die unter Umständen noch mit der Flüssigkeit vermischt sind, auf alle Fälle beim Rotieren des Gerätes nach dem Vorratsraum ausgeschieden, und die Spalte sind gleichmässig mit reinem Öl ausgefüllt, was für die Exaktheit der Messungen wesentlich ist.