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Die
Erfindung betrifft einen Schwingtisch nach den Merkmalen des Oberbegriffes
des Patentanspruches 1.
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Für tribologische
Untersuchungen, also zur Untersuchung von Grenzflächenwechselwirkungen zwischen
Festkörpern
oder zwischen Festkörpern und
Flüssigkeiten
oder Gasen, insbesondere zur Untersuchung von Reibung und Verschleiß, ist es
im Stand der Technik bekannt, auf diese Verwendung angepasste Schwingtische
einzusetzen. Ein auf einem solchen Schwingtisch positionierter Gegenstand wird über einen
gewissen Zeitraum in Schwingung versetzt, so dass sich durch die
Schwingung und die daraus entstehende Reibung ergebende Veränderungen
untersucht werden können.
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Üblicherweise
wird dabei gegen den auf einem solchen Schwingtisch positioniertem
ersten Prüfkörper ein
zweiter, ortsfester Prüfkörper mit
einer gewählten
Normalkraft gedrückt.
Durch die Auslenkung mit einer gewählten Amplitude und Frequenz des
Schwingtisches findet eine Relativbewegung zwischen den beiden Prüfkörpern statt,
so dass die zu untersuchende Werkstoffpaarung tribologisch charakterisiert
werden kann.
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Zur
Verwirklichung eines Schwingtisches werden gemeinhin eine ortsfeste
und eine bewegliche Komponente vorgesehen, wobei die bewegliche Komponente
zur ortsfesten beweglich gelagert sein muss. Für eine solche Lagerung sind
einerseits Wälzlager
und andererseits Festkörpergelenke
bekannt.
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Bei
der Verwendung von Wälzlagern
entsteht der Nachteil, dass Wälzlager
für den
Betrieb im Schwingtisch, der typischerweise eine sehr große Anzahl
von zyklischen Bewegungen bereitstellen können muss, stets geschmiert
werden müssen.
Es scheidet somit die praktische Verwendung für solche Umgebungen aus, welche
im Vakuum stattfinden, da dort kein Fett verwendet werden kann;
die Verwendung eines Wälzlagers
ohne Fett bedeutet jedoch eine rasante Abnutzung der Lagerung des
beweglichen Teiles des Schwingtisches.
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Jedoch
entstehen auch bei der Verwendung mit Schmiermitteln Nachteile aus
der Verwendung von Wälzkörpern insbesondere
dann, wenn die durch den Schwingtisch bereitgestellten typischen
Bewegungen nur kleine Amplituden, etwa im Bereich von 200 μm, ausführen. In
solchen Fällen
führen
die Wälzkörper nämlich keine
rollende Bewegung aus, sondern "schaben" hin und her, wodurch
die Wälzkörper schnell
abplatten oder die Wälzkörperlagerung
rasch abnutzt.
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Diese
Nachteile treten bei der Verwendung von Festkörpergelenken zur Lagerung der
beweglichen Komponente des Schwingtisches, z.B. der beweglich gelagerten
Tischkonsole, nicht auf. Herkömmliche
Festkörpergelenke
sind typischerweise jedoch nur für
kleine Bewegungsamplituden geeignet. Für größere Bewegungsamplituden ist
es möglich,
eine Blattfeder einzusetzen. Dabei entsteht jedoch der Nachteil,
dass das Höhenniveau
des beweglichen Teiles des Schwingtisches abhängig ist von der während der
Bewegung wirkenden Normalkraft, so dass bei wachsender Normalkraft
und Bewegungsamplitude auch die während der Bewegung wirkende
Normalkraft im Laufe der Bewegung zunehmend stark moduliert wird.
Wird auch die Frequenz des Schwingtisches erhöht, so tritt dieser Effekt
deutlich verstärkt
auf. Es entsteht die nachteilige Wirkung von Schwingungen, welche
das Verschleißverhalten der
zu charakterisierenden Werkstoffe beeinflussen können.
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Die
US 2002/0062678 A1 zeigt einen gattungsgemäßen Schwingtisch. Dieser weist
ein ortsfestes Basiselement und eine dazu beweglich gelagerte Tischkonsole
auf, wobei die bewegliche Lagerung durch eine in Bewegungsrichtung
gegenüberliegende
erste Anordnung von Blattfedern an einer ersten Seite der Tischkonsole
realisiert ist. Problematisch bei diesem Stand der Technik ist allerdings
die durch Gewichtseinflüsse
einseitige Belastung ("Kragarm-Belastung"). Außerdem können durch
Inhomogenitäten
der in der gattungsgemäßen Vorrichtung gezeigten
Federelemente Messergebnisse verfälscht werden.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingtisch
anzugeben, welcher die in der vor stehenden Würdigung des Standes der Technik
genannten Nachteile beseitigt und insbesondere über eine Lagerung des beweglichen
Teils gegenüber
dem ortsfesten Teil des Schwingtisches verfügt, welcher quasi verschleiß- und reibungsfrei
ist, der eine reversierende und oszillierende Bewegung bereitstellt,
und bei dem der mit einer Normalkraft belastete beweglich gelagerte
Teil des Schwingtisches in jeder Auslenkungsphase der Bewegung das
Höhenniveau
im Sub-Mikrometerbereich
beibehält.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Schwingtisch nach Patentanspruch 1 gelöst. Dadurch, dass die bewegliche
Lagerung des beweglichen Teiles des Schwingtisches, hier als Tischkonsole
ausgeführt,
durch eine oder mehrere Blattfedern gelagert ist, wird für die Lagerung
ein Festkörpergelenk
verwendet, welches eine große
Bewegungsamplitude zulässt
und ohne Schmierung verwendet werden kann. Durch die Verwendung
mehrerer Federblätter
in einer Blattfeder, wobei diese mehreren Federblätter in
einer zur Bewegungsrichtung senkrechten Ebene, d.h. quer zur Bewegungsrichtung, flach
nebeneinander angeordnet sind und die Federblätter ferner an einer ersten
Seite der Blattfeder miteinander verbunden sind, wird erreicht,
dass die durch diese Blattfeder realisierte Lagerung entlang der
Bewegungsrichtung der Tischkonsole ein geringes Widerstandsmoment
aufweist und gleichzeitig in Richtung der die Tischkonsole belastenden
Normalkraft ein sehr hohes Widerstandsmoment aufweist, so dass die
vertikale Normalkraft aufgenommen wird und daher die Tischkonsole
durch die Blattfedern horizontal, ohne Änderung des Höhenniveaus
geführt wird
(Auslenkung in Normalkraftrichtung geringer als 1 μm).
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Dadurch,
dass die Blattfeder dabei so mit dem ortsfesten Basiselement und
beweglich gelagerten Tischkonsole verbunden ist, dass mindestens
ein erstes Federblatt mit dem ortsfesten Basiselement verbunden
ist und mindestens ein zweites Federblatt der Blattfeder mit der
beweglich gelagerten Tischkonsole, und wobei ferner diese Verbindungen
gemeinsam an einer zweiten Seite der Blattfeder angeordnet sind,
welche der ersten Seite (an der die Blattfedern miteinander verbunden
sind) gegenüberliegt,
wird die erfindungsgemäße Beweglichkeit
und sichere Führung
der beweglich gelagerten Tischkonsole so verwirklicht, dass die
erfindungsgemäße Bewegungsfreiheit
in Bewegungs richtung bei gleichzeitiger Stabilität in Richtung der Normalkraft
bereitgestellt wird.
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Dadurch,
dass die Tischkonsole auf beiden Seiten durch eine Blattfederaufhängung geführt wird, d.h.
dass sowohl die bewegliche Lagerung durch eine in Bewegungsrichtung
gegenüberliegende
Anordnung von mindestens zwei derartigen Blattfedern an einer ersten
Seite der Tischkonsole und auch an mindestens einer zweiten Seite
der Tischkonsole ausgeführt
ist, die der ersten Seite quer zur Bewegungsrichtung gegenüberliegt,
wird die Belastbarkeit der Tischkonsole in Richtung der Normalkraft,
d.h. die Belastung der Tischkonsole mit dem Gewicht des auf dem
Schwingtisch zu untersuchenden Gutes, deutlich erhöht und das
nachteilige Krag-Armprinzip vermieden. Das Krag-Armprinzip bedeutet im Zusammenhang
dieser Erfindung das einseitige Absacken der Tischkonsole bei nur
einseitiger Lagerung und Belastung der Tischkonsole mit Gewicht.
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Vorteilhaft
ist insbesondere, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Blattfedern
aus jeweils einem einzigen Stück
Material bestehen. Dadurch wird erreicht, dass die Materialeigenschaften
innerhalb einer Blattfeder, d.h. insbesondere für die einzelnen Federblätter der
Blattfeder, weitestgehend gleich sind. Vorteilhaft kann eine solche
Blattfeder aus einem in Wälzrichtung
geschlitzten Blech, beispielsweise Bronze, bestehen. Die geometrischen
Abmessungen der Federblätter
sollten vorteilhafterweise nur höchst
geringfügig
voneinander abweichen, insbesondere weitestgehend übereinstimmende
Materialdicke und Federblattbreite aufweisen.
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Diese
genannten Vorteile sind insbesondere für die Anwendung des Schwingtisches
in Tribometern von Bedeutung.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind nach den Unteransprüchen möglich.
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Eine
vorteilhafte Ausführung
der Verbindungen der einzelnen Federblätter mit der Tischkonsole, dem
Basiselement und/oder der Federblätter untereinander stellen
Einspannungen dar, welche als Klemmungen realisiert sein können und
welche federseitig abgerundet sind. Dadurch wird vermieden, dass
die Feder an der Kante der Klemmung im Schwingungsbetrieb bricht.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und mehreren
Figuren verdeutlicht. Es zeigen:
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1 eine
räumliche
Ansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Schwingtisches,
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2 eine
Draufsicht auf eine in einem solchen Schwingtisch verwendete Blattfeder
mit vier Federblättern,
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3 eine
Seitenansicht des in 1 Gezeigten, und
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4 eine
Draufsicht auf das in 1 Gezeigte.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schwingtisches.
Durch Basisbügel 1 sind
ortsfeste Basiselemente verwirklicht, an deren vier Schenkeln jeweils
eine Blattfeder 3 über Klemmungen 4a befestigt
ist.
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In
diesem Beispiel sind von den Blattfedern 3 jeweils das
zu oberste und zu unterste Federblatt (3d und 3a in 2)
jeweils über
die Klemmungen 4a am Schenkel des jeweiligen Basisbügels befestigt.
Dabei sind die Klemmungen auf beiden Seiten der Federauslenkung
etwa mit einem Radius von 1 mm abgerundet, so dass die Federn nicht
an einer Kante der Klemmung brechen. Die Blattfedern 3 und 3' sind weiterhin über Klemmungen 4b mit
einer beweglichen Tischkonsole 2 durch ebensolche Klemmungen verbunden.
Die Verbindung mit der beweglichen Tischkonsole wird an den mittleren
zwei Federblättern
in diesem Beispiel realisiert (3b und 3c in 2). Auf
diese Weise ist die Tischkonsole 2 an allen vier Ecken über jeweils
eine Blattfeder mit jeweils einem Schenkel der Basisbügel verbunden.
Durch diese Blattfederaufhängung
wird die bewegliche Lagerung der Tischkonsole realisiert, so dass
die Tischkonsole horizontal mit weiter Bewegungsamplitude und ohne Änderung
des Höhenniveaus
in Richtung der Normalkraft ausgelenkt werden kann.
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Die
Verbindung der Federblätter
jeweils einer Blattfeder untereinander ist über Klemmungen 4c realisiert.
Um genügend
Raum für
die Bewegung der Tischkonsole und einer in diesem Beispiel auf der Tischkonsole 2 angeordneten
Montageplatte 6 in Bewegungsrichtung M zu ermöglichen,
weisen die Basisbügel 1 Ausnehmungen 5 auf,
die an die Höhe
der Tischkonsole bzw. der Tischkonsole mit darauf angeordneter Montageplatte 6 angepasst
sind. Zur Vergrößerung der
Belastbarkeit der Tischkonsole 2 mit Gewicht und zur Vermeidung
des nachteiligen Krag-Armprinzips ist die vorbeschriebene bewegliche
Aufhängung
der Tischkonsole an den Basisbügeln
ebenso auf der gegenüberliegenden
Seite der Tischkonsole ausgeführt.
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Die
beweglich gelagerte Tischkonsole 2 wird durch ei nen Antrieb
in Schwingbewegung versetzt, der in Wirkverbindung mit der Tischkonsole
steht. Ein solcher Antrieb, der in dieser Figur nicht näher dargestellt
ist, kann beispielsweise als Exzenter, Shaker und/oder Aktor auf
Piezobasis realisiert sein.
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Die
Blattfedern 3 und 3' sind über als
zwei Distanzstangen 7 ausgebildete Abstandshalter miteinander
verbunden. Die Distanzstangen gewährleisten eine starre Verbindung
der Blattfedern 3 und 3' derart, dass bei Frequenzen größer als
2 Hz die Gleichförmigkeit
der Schwingungscharakteristik verbessert wird.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf eine besonders vorteilhafte Form einer Blattfeder.
Die Blattfeder 3 weist vier Federblätter 3a, 3b, 3c und 3d auf.
In diesem Beispiel ist die Blattfeder aus einem einzigen Stück Material
bestehend, vorliegend ein Metallblech.
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In
diesem Beispiel ist als Metallblech eine Federbronze, CuSn6 (hart)
ausgewählt;
es sind auch andere Materialien denkbar, etwa eine faserverstärkte Carbonplatte.
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Die
Federblätter
sind durch Schlitzen des Bleches in Walzrichtung verwirklicht. Hierdurch
wird die Gleichmäßigkeit
der Materialeigenschaften für alle
Federblätter
der Blattfeder weitestgehend gewährleistet.
Nicht nur in der Herstellung, sondern auch für die Montage des Schwingtisches
von besonderem Vorteil ist, dass die Blattfeder in den Bereichen,
die später
durch Klemmelemente gemeinsam verbunden werden sollen, nicht durchbrochen
ist. Auf einer ersten Seite A der Blattfeder, welche beim zusammengesetzten
Schwingtisch mit den Klemmungen 4c aus 1 versehen
ist, sind alle Federblätter der
Blattfeder mit einander durchgehend verbunden. Ebenso auf der Seite
B, sind die Federblätter 3b und 3c dort
miteinander durchgehend verbunden, wo beim zusammengesetzten Schwingtisch
die Klemmung 4b angeordnet ist.
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Die
in 2 angegebenen Bemessungen geben Verhältniszahlen
der verwendeten geometrischen Abmessungen an.
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3 zeigt
die Seitenansicht des in 1 bereits dargestellten Schwingtisches.
Die Seitenansicht zeigt die Basisbügel 1 mit den Ausnehmungen 5,
welche der Höhe
der Tischkonsole 2 angepasst ist und ebenso der Weite der
Schwingungsamplitude in Bewegungsrichtung. In diesem konkreten Beispiel
ist der Höhe
der Ausnehmung so gewählt,
dass die Blattfedern 3b und 3c und die damit verbundene Klemmung 4c in
die Ausnehmung 5 reibungsfrei hineinpasst. Die Montageplatte 6 fällt gegenüber der Tischkonsole 2 in
der Breite beidseitig zurück,
wodurch eine Kollision mit den Basisbügeln 1 vermieden wird.
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4 verdeutlicht
dies in einer Draufsicht.
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Deutlich
ist die Beabstandung zwischen der flächig dargestellten Montageplatte 6 zu
den Basisbügeln 1 und
den Blattfedern 3 dargestellt, durch die die Berührung der
Montageplatte zu den Blattfedern vermieden wird. Weiterhin ist dargestellt,
wie an den Beispielen 4a und 4c die Klemmung durch
jeweils zwei gegenüberliegende
Klemmelemente ausgeführt ist.
Im Beispiel der Klemmung 4c ist dort jeweils mindestens
eine Distanzstange 7 angeordnet.
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Mit
einem Schwingtisch wie in diesem Ausführungsbeispiel ist typischerweise
eine Bewegungsamplitude des beweglich gelagerten Tischteiles zwischen
0,05 mm bis zu 4 mm zu erreichen, zwischen den Spitzen der Bewegungsamplitude
0,1 bis 8 mm. Die Belastbarkeit des Schwingtisches mit einer auf die
beweglich gelagerte Tischkonsole aufgebrachten Last liegt senkrecht
zur Bewegungsrichtung zwischen 0,1 N und 50 N. Die durch einen solchen Schwingtisch
zu erreichende Bewegungsfrequenz liegt zwischen 0,1 Hz und 10 Hz,
wobei die Gebrauchsdauer des Tisches typischerweise mehr als 100
Mio. Bewegungszyklen umfasst. In jeder Auslenkungsphase der beweglich
gelagerten Tischkonsole wird auf diese Weise das Höhenniveau
im Sub-Mikrometerbereich
beibehalten.