DE10038060A1 - Unwuchtsausgleichsvorrichtung für Zentrifugen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum selbsttätigen Unwuchtausgleich des Rotors einer Zentrifuge, mit einem über eine elastische Lagereinrichtung an einer konzentrischen Fläche des Rotors in Ruhestellung konzentrisch lagerbaren Ausgleichsring ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtung als wenigstens radial nachgiebiger elastischer Ring ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruch 1 ge­ nannten Art.

Eine derartige Vorrichtung bewirkt bei einer Unwucht des Rotors, die beispiels­ weise durch unsymmetrische Beladung erzeugt ist, einen Unwuchtausgleich da­ durch, daß der massebehaftete Ausgleichsring sich während der Rotation des Rotors bei nachgebender Lagereinrichtung entgegengesetzt zur Unwuchtmasse verschiebt und dadurch die Unwucht ausgleicht.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 42 93 504 A1 bekannt. Bei dieser weist die Lagereinrichtung mehrere umfangsbe­ abstandet angeordnete radial wirkende Federn auf. Diese Konstruktion hat jedoch erhebliche Nachteile.

Zunächst ist die radial wirkende Federkraft der Lagereinrichtung für verschiedene Umfangswinkel unterschiedlich, je nachdem wie weit der Umfangswinkel von benachbarten Federn entfernt liegt. Dadurch ergeben sich ungleichmäßige, den Unwuchtausgleich störende Verhältnisse. Ferner sind die einzeln ausgebildeten Federn nur schwer auf gleiche Federkraft abstimmbar, woraus sich ebenfalls Stö­ rungen des Unwuchtausgleichs ergeben. Weiterhin bilden die bei der bekannten Konstruktion vorgesehen ungedämpften Federn der Lagereinrichtung ein schwingfähiges System, das eine Quelle zusätzlicher unerwünschter Resonanzen ist. Weiterhin ist die bekannte Lagereinrichtung im wesentlichen nur in der Ebene der Lagereinrichtung und nicht gegen Kippauslenkungen wirksam. Schließlich ist die bekannte Konstruktion auch sehr aufwendig in der Herstellung.

Aus diesen Gründen ist die bekannte Vorrichtung nur für geringe Unwuchtanfor­ derungen bei niedrigen Drehzahlen geeignet, wie für den in der zitierten Schrift dargestellten Fall einer Waschmaschine. Für hochdrehende Zentrifugen ist sie nur sehr schlecht geeignet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die gattungsgemäße Vor­ richtung kostensparend für höhere Auswuchtanforderungen auszubilden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht als Lagereinrichtung einen elastischen Ring vor. Im einfachsten Fall ist der Ausgleichsring, beispielsweise ein Stahlring geeigneter Masse, über einen elastischen Ring in Form einer Gummischicht auf der Fläche des Rotors befestigt. Ersichtlich ist eine solche Konstruktion äußerst kostengünstig. Von Vorteil ist die ringförmige, allseits symmetrisch ausbildbare Form des elastischen Ringes, die unter sämtlichen Umfangswinkeln gleiche (isotrope) elastische Eigenschaften ermöglicht. Ein solcher elastischer Ring läßt sich gut dämpfend ausbilden. Resonanzfrequenzen treten dann nicht auf, so daß im Schwingungssystem der Zentrifuge keine zusätzlichen Resonanzen gebildet werden. Der elastische Ring kann je nach Querschnittsgeometrie sehr gut Rück­ stellkräfte auch in Kipprichtung der Rotorachse gegenüber dem Ausgleichsring erzeugen und somit auch Kippbewegungen sehr gut ausgleichen. Es wird hiermit auf einfache Weise ein Unwuchtausgleich in mehreren Freiheitsgraden erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher bei geringen losten und wegen ih­ rer einfachen Konstruktion insbesondere auch nachrüstbar für Zentrifugen aller Art, insbesondere auch für sehr hoch drehende Zentrifugen wie insbesondere La­ borzentrifugen, geeignet.

Die Vorrichtung kann an unterschiedlichen konzentrischen Flächen das Rotors anbringbar ausgebildet sein, beispielsweise an dem zur Aufnahme des Zentrifu­ giergutes vorgesehenen Rotorbehälter. Vorteilhaft ist sie jedoch gemäß Anspruch 2 zur Anbringung an der Antriebswelle vorgesehen, beispielsweise in der Nähe des Rotorbehälters, wodurch die Anbringung vereinfacht wird.

Die Vorrichtung kann an einer konzentrischen Außenfläche des Rotors, bei­ spielsweise am Umfang des Rotorbehälters oder insbesondere vorteilhaft bei An­ bringung auf der Welle auf deren Außenseite vorgesehen sein. Vorteilhaft ist sie jedoch gemäß Anspruch 3 an einer konzentrischen Innenfläche, insbesondere an einer Innenfläche des Rotorbehälters angeordnet, was insbesondere zu platzspa­ rendem Aufbau führt.

Vorteilhaft ist der elastische Ring gemäß Anspruch 4 als Elastomerring ausgebil­ det. Es können geeignete Elastomere, wie Naturkautschuk oder ein synthetisches Elastomer verwendet werden. Von Vorteil ist hier insbesondere die gleichmäßige Federwirkung in allen Richtungen und die gute Eigendämpfung des Materials.

Der Elastomerring kann einstückig ausgebildet sein, ist vorteilhaft jedoch gemäß Anspruch 5 mehrschichtig aufgebaut. Diese Schichten können durch senkrecht zur Achse stehende Ebenen getrennt sein oder insbesondere auch als konzentri­ sche Schichten in radialer Richtung übereinander angeordnet sein. Durch den Mehrschichtaufbau mit unterschiedlichen Elastomerparametern der Schichten lassen sich die Rückstell- und Dämpfungseigenschaften des Elastomerringes op­ timieren.

Vorteilhaft ist gemäß Anspruch 6 auf der zur Befestigung am Rotor vorgesehenen Seite des Elastomerringes ein Sitzring vorgesehen, der beispielsweise aus Metall besteht und eine ordentliche Metall zu Metall Befestigung der Vorrichtung er­ möglicht.

Der vorzugsweise aus Metall bestehende Ausgleichsring, der elastische Ring und ein gegebenenfalls vorgesehener Sitzring könne lose ineinandergesteckt und durch zusätzliche Vorrichtungen zusammengehalten werden. Vorteilhaft sind sie jedoch gemäß Anspruch 7 zu einer Baueinheit fest miteinander verbunden, was die Montierbarkeit und die Funktionssicherheit verbessert.

Vorzugsweise besteht der Elastomerring nach Anspruch 8 ganz oder teilweise, beispielsweise in einer von mehreren Schichten aus einem Elastomerschaum, der aufgrund seiner besonderen Elastizitätseigenschaft eine weitere Optimierung des Rückstell- und Dämpfungsverhaltens des Elastomerringes ermöglicht.

Vorteilhaft ist gemäß Anspruch 9 der elastische Ring als schräg gewundene Schraubenfeder ausgebildet. Mit dieser Konstruktion lassen sich ähnliche radiale elastische Eigenschaften wie mit einem Elastomerring erzielen, jedoch mit den Vorteilen, z. B. besserer Temperaturbeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Eine gute Eigendämpfung kann auch hier durch Reibdämpfung aufgrund der viel­ fachen Anlage der Schraubenwindungen erreicht werden.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt, es zeigen:

Fig. 1 Einen Schnitt durch eine Laborzentrifuge mit mehreren Unwuchtaus­ gleichsvorrichtungen mit Elastomerring,

Fig. 2 im Schnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1 einer der dargestellten Unwuchtaus­ gleichsvorrichtungen in Achsansicht,

Fig. 3 in Darstellung gemäß Fig. 2 eine Variante der Unwuchtausgleichsvor­ richtung,

Fig. 4 in Darstellung gemäß Fig. 2 eine weiter Variante der Unwuchtaus­ gleichsvorrichtung,

Fig. 5 im Schnitt der Fig. 1 eine weiter Variante der Unwuchtausgleichsvor­ richtung,

Fig. 6, 7 in unterschiedlichen Schnittdarstellungen eine auf der Welle der Zentri­ fuge angeordnete Unwuchtausgleichsvorrichtung mit einer Schrauben­ feder als elastischer Ring.

In Fig. 1 ist eine Laborzentrifuge üblicher Bauart unter Weglassung des äußeren Schutzgehäuses dargestellt.

Auf einer Grundplatte 1 ist mit Federn 2 federnd gelagert ein Antriebsmotor 3 angeordnet, der die lotrecht stehende Welle 4 eines Rotors antreibt, welcher aus der Welle 4 und einem Rotorbehälter 5 besteht.

Der Rotorbehälter 5 weist mehrere Aufnahmen 6 auf, die zur Aufnahme zu zen­ trifugierender Probenröhrchen 7 dienen. In Fig. 1 ist - zur Erläuterung einer Un­ wucht - dargestellt, daß nur in einer der beiden in der Schnittebene gegenüberlie­ gen Aufnahmen 6 ein Probenröhrchen 7 liegt, wogegen die gegenüberliegende Aufnahme 6 leer ist. Dadurch wird eine erhebliche Unwucht erzeugt, die auszu­ gleichen ist.

Zum Unwuchtausgleich ist auf der Welle 4 eine Unwuchtausgleichsvorrichtung I vorgesehen, die aus einem Ausgleichsring 8 und einem elastische Ring in Form eines Elastomerringes 9 besteht. In Achsansicht gemäß Schnittlinie 2-2 in Fig. 1 ist diese Vorrichtung I noch einmal in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Ersichtlich erlaubt der Elastomerring 9, der aus irgendeinem geeigneten natürli­ chen oder synthetischen Elastomer bestehen kann, eine radiale Verlagerung des mit geeigneter Masse behafteten, beispielsweise aus Stahl bestehenden Aus­ gleichsringes 8 gegenüber der Welle 4. Auch Kippbewegungen der Welle 4 ge­ genüber der Ebene des Ausgleichsringes 8 werden in dem Elastomerring 9 aus­ geglichen. Der Elastomerring 9 kann übliche Elastomereigenschaften aufweisen, wirkt also insbesondere nicht nur federnd sondern auch wesentlich dämpfend.

Fig. 1 zeigt, daß eine Unwuchtausgleichsvorrichtung mit Elastomerring 9 und Ausgleichsring 8 zur Anbringung an unterschiedlichen Positionen des Rotors ausgebildet sein kann.

Eine Ausgleichsvorrichtung II kann auf dem Umfang des Rotorbehälters 5 vorge­ sehen sein. Eine Ausgleichsvorrichtung III kann an der unteren Stirnfläche des Rotorbehälters 5 vorgesehen sein, mit der Besonderheit, daß hier der Elastomer­ ring auf Scherung beansprucht wird. Insbesondere vorteilhaft ist bei der darge­ stellten Ausbildung des Rotorbehälter 5 mit einer unteren Ausnehmung mit zy­ lindrischer Innenfläche 10 eine Ausgleichsvorrichtung IV auf dieser angeordnet, wobei dann der Ausgleichsring 8 innen und der Elastomerring 9 außen zur Innen­ fläche 10 des Rotorbehälters 5 hin liegt. Eine Ausgleichsvorrichtung V kann auch, wie in Fig. 1 dargestellt, an dem nach unten den Motor 3 überragenden Ende der Welle 4 angeordnet werden.

Eine Ausgleichsvorrichtung VI kann ferner auch innerhalb des Rotorbehälters 5 angeordnet sein an einer zylindrischen Innenfläche 10'. Im dargestellten Fall kann, wie Fig. 1 zeigt, der Ausgleichsring 8' auch als Vollscheibe ausgebildet sein.

Je nach Schwingungsverhalten der in Fig. 1 dargestellten Zentrifuge, kann der am besten geeignete der Anbringungsorte I-IV gewählt werden. Von Vorteil zum besseren Unwuchtausgleich kann auch die Anordnung mehrerer Ausgleichsvor­ richtungen, beispielsweise in den Positionen I und IV, sein.

Zu der gemäß Fig. 1 in Position I angeordneten Ausgleichsvorrichtung sind im Folgenden erläuterte Varianten möglich, die auch für die in den anderen Positio­ nen dargestellten Ausgleichsvorrichtungen entsprechend abgewandelt verwend­ bar sind.

In Fig. 3 ist eine Konstruktion dargestellt, die mit Ausgleichsring 8 und Elasto­ merring 9 -bis auf andere Dimensionierung - der Konstruktion der Fig. 2 ent­ spricht. Innerhalb des Elastomerringes 9 ist jedoch zusätzlich ein z. B. aus Stahl bestehender Sitzring 11 vorgesehen, der zu gutem Paßsitz auf der Welle 4 ausge­ bildet ist.

Die Ausführungsform der Fig. 4 entspricht der der Fig. 3, bis auf die Tatsache, daß der Elastomerring aus zwei konzentrischen Schichten 9', 9" besteht, die aus unterschiedlichen Elastomermaterialien bestehen und beispielsweise unterschied­ liche Feder- oder Dämpfungseigenschaften aufweisen. Dadurch kann das Aus­ gleichsverhalten des Elastomerringes 9', 9" optimiert werden.

Fig. 5 zeigt eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion, bei der der Ausgleichsring 8 allseitig umschlossen in dem Elastomerring 9 angeordnet ist. Hierdurch können sowohl die Ausgleichseigenschaften als auch die Herstellbar­ keit und Dauerfestigkeit verbessert werden.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen der Ausgleichsvorrichtung können deren Teile 8, 9, 11 insbesondere miteinander fest verbunden sein, z. B. durch Verklebung oder Vulkanisierung, um eine gegen Verschiebungen gesicherte und bei der Montage leicht handhabbare Konstruktion zu schaffen.

In den dargestellten Ausführungsformen kann der Elastomerring 9 aus porenfrei­ em Elastomermaterial bestehen, insbesondere jedoch auch aus einem Elastomer­ schaum, dessen besondere Feder- und Dämpfungseigenschaften hier vorteilhaft nutzbar sind. Bei der Ausführungsform 4 kann beispielsweise eine der Schichten 9', 9" aus Elastomerschaum bestehen, oder auch beide Schichten aus unterschied­ lichem Schaum.

Der Elastomerring 9 ist in den dargestellten Ausführungen mit rechteckiger Querschnittsform dargestellt. Dabei kann seine radiale Dicke und seine in Achs­ richtung der Welle 4 erstreckte Dicke den gewünschten Auswuchtparametern angepaßt sein, insbesondere auch hinsichtlich des Verhältnisses radialer Elastizi­ tät zu Kippelastizität.

Die Querschnittgeometrie kann vorteilhaft auch anderes ausgebildet sein, z. B. mit balliger Auswölbung der Stirnflächen des Elastomerringes bzw. mit Hohlflä­ chen, wie dies der Elastomerring 9' der Auswuchteinrichtung VI zeigt, um seine Elastizitätseigenschaften in gewünschter Weise einzustellen. Zu demselben Zweck kann der Elastomerring auch beispielsweise mit umfangsverteilten Hohl­ räumen oder Durchbrechungen versehen sein, sofern durch deren Anordnung die unter allen Winkeln möglichst gleich (isotrop) zu haltenden elastischen Eigen­ schaften nicht zu sehr beeinträchtigt werden.

Die Fig. 6 und 7 zeigen in unterschiedlicher Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform einer Unwuchtausgleichsvorrichtung, die z. B. in Position I ge­ mäß Fig. 1 auf der Welle 4 angeordnet sein kann, sich in entsprechender kon­ struktiver Abwandlung aber auch für die anderen Anbringungspositionen II bis IV gemäß Fig. 1 eignet.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 ist der elastische Ring nicht als Elastomerring ausgebildet, sondern als ringförmig ausgebildete Schraubenfeder 19. Diese ist einerseits in einer umlaufenden Außennut 16 des Sitzringes 11 und andererseits in einer umlaufenden Innennut 17 des Ausgleichsringes 8 gelagert, so daß die Unwuchtausgleichsvorrichtung eine formschlüssig verbundene Mon­ tageeinheit bildet. Die Querschnittsformen der Nuten 16 und 17 sind, wie Fig. 6 zeigt, der Querschnittsumfangsform der Schraubenfeder 19 angepaßt.

Bei einer normal gewickelten Schraubenfeder würden die einzelnen Windungen in Ansicht der Fig. 4 im wesentlichen radial stehen. Bei der schematisch darge­ stellten, für die vorliegenden Zwecke verwendbaren Schraubenfeder 19 sind die einzelnen Windungen jedoch, wie in Fig. 7 dargestellt, unter einem Schrägwin­ kel α gegenüber der strichpunktiert dargestellten Radialrichtung gekippt. Da­ durch kann die Schraubenfeder 19 in radialer Richtung elastisch nachgeben, ähn­ lich wie der in den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 verwendete Elasto­ merring 9. Auch Kippbewegungen der Welle 4 gegenüber dem Ausgleichsring 8 kann die Schraubenfeder 19 elastisch ausgleichen.

Die Schraubenfeder 19 kann aus geeigneten Federmaterialien, wie z. B. Feder­ stahl, bestehen. Anders als der in den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 verwendete Elastomerring 9, kann der Federring 19 und somit die gesamte Un­ wuchtausgleichsvorrichtung 11, 19, 8 z. B. hochtemperaturfest und beständig ge­ gen Lösungsmittel ausgebildet sein.

Die in den in der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 als Federring verwendete Schraubenfeder 19, weist gegenüber dem in den anderen Ausführungsformen verwendeten Elastomeren den Nachteil mangelnder Eigendämpfung auf. Bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform ist die Schraubenfeder 19 jedoch in den Nuten 16 und 17 mit allen ihren Windungen in Punkt- bzw. Linien­ anlagen gelagert. Bei radialen Ausgleichsbewegungen der Schraubenfeder 19 kommt es zu Gleitverschiebungen dieser Anlagestellen, was mit entsprechender Reibung verbunden ist. Dadurch wird auch bei dieser Ausbildung des elastischen Ringes eine ausreichende Dämpfungswirkung durch Reibungsdämpfung erreicht.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum selbsttätigen Unwuchtausgleich des Rotors (4, 5) einer Zentrifuge, mit einem über eine elastische Lagereinrichtung (9, 19) an ei­ ner konzentrischen Fläche des Rotors in Ruhestellung konzentrisch lager­ baren Ausgleichsring (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerein­ richtung als wenigstens radial nachgiebiger elastischer Ring (9, 19) ausge­ bildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit eine Antriebswelle (4) aufweisendem Rotor (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8, 9) zur An­ bringung auf der Außenfläche der Welle (4) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit eine Antriebswelle (4) aufweisendem Rotor (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8, 9) zur An­ bringung auf einer konzentrischen Innenfläche (10) des Rotors (4, 5) aus­ gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elasti­ sche Ring als Elastomerring (9) ausgebildet ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elasto­ merring aus mehreren Schichten (9', 9") unterschiedlichen Elasto­ mereigenschaften ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zur Fläche des Rotors (4, 5) gelegenen Seite des elastischen Ringes (9, 19) ein zur Anbringung auf der Fläche des Rotors ausgebildeter Sitzring (11) vor­ gesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (8, 9, 11; 8, 19, 11) der Vorrichtung fest miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elasto­ merring (9; 9', 9") wenigstens teilweise aus einem Elastomerschaum be­ steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elasti­ sche Ring als ringförmige Schraubenfeder (19) mit schräg zur Radialrich­ tung stehenden Windungen ausgebildet ist.