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Unter Last stufenlos regelbare Vorrichtung zur Erzeugung von Schwinghüben
mit veränderlicher Amplitude Die Erfindung betrifft eine unter Last stufenlos regelbare
Vorrichtung zur Erzeugung von großen Schwinghüben mit veränderlicher Amplitude,
z. B. für Prüfmaschinen.
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Es ist bekannt, zur dynamischen Werkstoffprüfung, insbesondere zur
Ermittlung der Wechselfestigkeit von Bauteilen, Prüfmaschinen einzusetzen, in denen
die Drehbewegung eines Exzenters durch eine Schubstange in eine oszillierende Bewegung
umgewandelt wird. Diese Bewegung wird auf ein in einer Aufspannvorrichtung aufgenommenes
Prüfstück, beispielsweise eine Blattfeder, übertragen. Innerhalb der durch den doppelten
Radius des Exzenters gegebenen Amplitude kann das Prüfstück wechselnd oder schwellend
belastet werden. Zur Werkstoffprüfung werden ferner Prüfmaschinen verwendet, bei
denen die zwischen schwingenden Massen auftretende Resonanz zur Erzeugung von Schwinghüben
ausgenutzt wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich indessen auf Exzentermaschinen,
weshalb Resonanzmaschinen bei der weiteren Betrachtung nicht mehr berücksichtigt
werden.
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Wenn die Lebensdauer eines Prüfteiles ermittelt werden soll, muß
der Prüfling Bedingungen unterworfen werden, die den bei seinem praktischen Gebrauch
auftretenden möglichst angeglichen sind.
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Belastungshöhen und -häufigkeiten sind statistisch erfaßbar, ihre
Zuordnung zueinander bezeichnet man als Belastungskollektiv. In der dynamischen
Prüfung unterwirft man nun das Prüfteil den verschiedensten Belastungsstufen mit
einer Häufigkeit und Charakteristik, wie sie dem Kollektiv entsprechen. Im Gegensatz
zu solchen Programmversuchen kann das Prüfstück aber auch mit einer konstanten Belastung
gepflift werden, wodurch Zeit- und Dauerfestigkeit ermittelt werden (Wöhler-Linie).
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Bei jeder Veränderung der Laststufe, d. h. beim Verändern des Hubes,
muß die Prüfmaschine stillgesetzt und der Exzenterradius verändert werden. Das ist
sehr zeitraubend, insbesondere dann, wenn die Prüfung mit einer Vielzahl von Laststufen
erfolgen soll.
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Zur Vermeidung dieses Nachteiles werden erfindungsgemäß zwei mit
unveränderbarem gegenseitigem Abstand angeordnete, je einen Exzenter tragende drehbare
Scheiben, von denen eine angetrieben ist, und zwei auf einem senkrecht zur Verbindungslinie
der Mittelpunkte dieser Scheiben verschiebbaren Schlitten drehbar gelagerte, als
Spannrollen dienende Laufscheiben vorgesehen, die mit einem endlosen flexiblen Element,
vorzugsweise einen Zahnriemen oder einer Kette, formschlüssig im Eingriff stehen;
die
Lagerungen der Achsen der Laufscheiben werden durch eine in der Längsrichtung
des mit einer Zahnstange versehenen, über ein Ritzel verschiebbaren Schlittens wirkende
Druckfeder belastet, und die Exzenter der Scheiben sind in Gelenken mit Schubstangen
verbunden, die an den Endpunkten eines in einem Mittelgelenk ein Prüfwerkzeug oder
ein Prüfwerkstück tragenden Balancierbalkens angelenkt sind. Die Verstellung kann
auch über eine an dem Schlitten befestigte Verstellspindel erfolgen. Die Anordnung
ist so getroffen, daß in einer Mittellage des Schlittens die Achsmitten der Zahnriemenscheiben
und der Laufscheiben die Eckpunkte eines Quadrates bilden. Zweckmäßig wird der Verschiebeweg
des die Spannrollen tragenden Schlittens so bemessen, daß in einer Endstellung die
Exzenter der Scheiben um 1800 versetzt sind, während in der anderen Endstellung
die Exzenter eine gleiche Winkelstellung aufweisen.
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Hierdurch wird der größtmögliche Schwinghub erzielt, wenngleich auch
ein Verschiebeweg des Schlittens möglich ist, bei dem die Phasenverschiebung der
Exzenter kleiner als 18u0 wird.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in
einer Endstellung des verschiebbaren Schlittens; Fig. 2 zeigt eine Mittelstellung
und Fig. 3 die andere Endstellung der Vorrichtung; Fig. 4 ist die Darstellung einer
anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Auf einer ein Teil eines Prüfmaschinengestells bildenden Tragplatte
1 sind zwei Scheiben 2 und 3 mit gegenseitig unveränderbarem Abstand drehbar gelagert.
Die Scheibe 2 ist durch eine nicht dargestellte
Antriebsvorrichtung,
beispielsweise einen Elektromotor, angetrieben. Auf der Tragplatte 1 ist weiterhin
ein eine Zahnstange tragender Schlitten 12 gleitbar geführt, der durch einen Verstellmotor
(nicht dargestellt) über ein Ritzel 13 verschiebbar ist. An einem Ende des Schlittens
12 ist eine Laufscheibe 10 drehbar gelagert, während das andere Ende des Schlittens
einen Lagerschlitten 17 gleitbar führt, in dem eine zweite Laufscheibe 11 drehbar
gelagert ist.
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Die Exzenterscheiben 2 und 3 und die Laufscheiben 10 und 11 weisen
vorzugsweise gleichen Durchmesser auf. Der Lagerschlitten 17 ist durch eine Druckfeder
16 belastet, die sich an ihrem anderen Ende an einer Schulter des Schlittens 12
abstützt. Die Scheiben 2, 3, 10 und 11 weisen eine Verzahnung auf, die mit einem
endlosen Zahnriemen 9 oder einer Kette im Eingriff ist. Der Riemen 9 wird hunter
dem Einfluß der Druckfeder 16 durch die t Spannrollen wirkenden Laufscheiben 10
und 11 gespannt gehalten. Mit den Scheiben 2 und 3 ist je ein Exzenter 4 fest verbunden.
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Die Exzenter 4 tragen Gelenke 5 und 6, in denen Schubstangen 7 und
8 angelenkt sind. Die freien Enden der Schubstangen 7 und 8 sind über Gelenke 20
und 21 mit einem Balancierbalken 18 verbunden. Der Balancierbalken 18 besitzt ein
Mittelgelenk 19, das in nicht dargestellter Weise an dem Maschinengestell gleitbar
geführt ist. Das Mittelgelenk 19 ist mit einem Werkzeugträger 22 bzw. mit einem
Prüfstück 22 verbunden. In Fig. 1 ist der Schlitten 12 in der oberen Endstellung
seines Verschiebeweges gezeigt. Die Exzenter 4 der Scheiben 2 und 3 sind um 18u0
gegeneinander versetzt. Wenn die Scheibe 3 gleichförmig im Uhrzeigersinn angetrieben
wird, laufen alle anderen Scheiben ebenfalls gleichförmig um, die Exzenter 4 behalten
ihre Winkelversetzung von 1800, so daß einer seinen oberen Totpunkt durchläuft,
während der andere seinen-anderen Totpunkt durchläuft.
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Die Gelenke 20 und 21 an dem Balancierbalkenl8 führen zwar einen Hub,
dessen Größe dem doppelten Exzenterradius entspricht, aus, das Mittelgelenk 19 verbleibt
dagegen in Ruhe. Das heißt, der Balancierbalken 18 pendelt um einen Mittelpunkt
19, dessen Amplitude gleich Null ist. Drückt das Ritzel 13 über die Zahnstange den
Schlitten 12 so in Richtung der anderen Endstellung, daß die Laufscheiben 10 und
11 zur Verbindungslinie der Mitten der Scheiben 2 und 3 gleichen Abstand aufweisen,
dann hat die Exzenterscheibe3 eine Relativbewegung um 450 entgegen dem Uhrzeigersinn,
die Exzenterscheibe 2 eine Relativbewegung um 450 im Uhrzeigersinn ausgeführt. Bezeichnet
man den Winkel, der durch die gedachten Verlängerungen der Exzenter 4 eingeschlossen
wird, mit , dann bestimmt sich der Hub des Mittelgelenks 19 des Balancierbalkens
18 nach der Gleichung H=2r-cos 927 2 zu H= 2r 0,707.
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Wenn der Schlitten 12 bis in die andere Endstellung verschoben wird,
machen die Exzenter 4 nochmals die gleiche Relativbewegung von jeweils 450° entgegengesetzt
dem bzw. im Uhrzeigersinn. Die Phasenlage ist damit gleich Null geworden, d. h.,
beide Exzenter 4 stehen links von ihrem Mittelpunkt (Fig. 3). Die Schubstangen 7
und 8 arbeiten - immer gleichmäßige Zahnriemenbewegungen im Uhrzeiger-
sinn vorausgesetzt
- jetzt gleichsinnig und bewegen den Balancierbalken 18 parallel auf und ab. Die
Amplitude des Mittelgelenks 19 erreicht ihr Maximum mit A = 2r.
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Um aus der möglichen vertikalen Verschiebung der Laufscheiben 10
und 11 auch den erwünschten Verstelleffekt (Phasenlage der Exzenter um maximal 1800
versetzt) zu erhalten, müssen Zahnmodul, Länge des Zahnriemens, Zähnezahl und Achsabstand
der Scheiben zweckmäßig aufeinander abgestimmt werden. Es wurde ermittelt, daß die
Anordnung der vier Scheibenachsen dann am günstigsten ist, wenn sie in der Mittellage
des Verstellweges der Zahnstange 12 in den Eckpunkten eines Quadrates liegen (Fig.
2). Mit der Verschiebung der Laufscheiben 10 und 11 in vertikaler Richtung verändert
sich der Achsabstand 1415, da die Umfangslänge des Zahnriemens 9 gleichbleibt. Die
Anderung des Spannrollenabstandes ist eine Funktion des Verstellweges.
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Zum Ausgleich ist die Feder 16 vorgesehen, die Längenänderungen zwischen
den Achsmitten 14 und 15 geführt aufnehmen und gleichbleibende Zahnriemenspannung
halten kann, Der Angriffspunkt der Verstellkräfte liegt an der Laufrolle, die von
dem ziehenden Riementeil gedreht wird, in Fig. 2 also an der Laufscheibe 10 bei
Umlauf des Zahnriemens 9 im Uhrzeigersinn.
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Es ergibt sich, daß der Hub des Mittelgelenks 19 des Balancierbalkens
von Null bis zu seinem Größtwert, der gleich dem doppelten Exzenterradius ist, stufenlos
verändert werden kann, wenn das Ritzel 13 in geeigneter Weise angetrieben wird.
Das kann beispielsweise über ein Verstellgetriebe mit niedriger Abtriebsdrehzahl
erfolgen. In vorteilhafter Weise ist das Verstellgetriebe (nicht dargestellt) mit
einer elektronischen Steuervorrichtung verbunden, die das Durchfahren eines zuvor
festgelegten, der Steuervorrichtung eingegebenen Programms erlaubt. Die Verstellung
des Hubes kann an der laufenden Maschine unter Last erfolgen, da der Antrieb des
Verstellgetriebes von dem Antrieb der Exzenterscheibe 3 unabhängig ist.
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Die Größe des maximalen Hubes ist lediglich von dem Exzenterradius
abhängig, weshalb Maschinen dieser Art bei entsprechender Antriebsleistung die Erzeugung
von Schwinghüben mit praktisch unbegrenzt großer Amplitude ermöglichen.
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Wenn auf einer so ausgerüsteten Prüfmaschine beispielsweise Biegefedern
geprüft werden, sind der Antrieb und der Zahnriemen einer stark wechselnden Belastung
ausgesetzt. Um einen gleichmäßigeren Belastungsverlauf zu erzielen und zugleich
die Möglichkeit zu schaffen, in einer solchen Prüfmaschine gleichzeitig zwei Prüfstücke
zu untersuchen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Hubbewegung des
Mittelgelenks 19 des Balancierbalkens 18 über Hebel und Gestänge derart auf ein
zweites Gelenk übertragen, daß dessen Schwingbewegung der Hubbewegung des Mittelgelenks
19 um 1800 entgegengesetzt ist.
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Einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt das gleiche Prinzip zugrunde, nämlich, die Phasenverschiebung zweier umlaufender,
in geeigneter Weise mit einem Balancierbalken verbundener Exzenterscheiben zur Erzeugung
von Schwinghüben auszunutzen. Mit Bezug auf Fig. 4 ist in dem Prüfmaschinengestell
38 eine Hohlwelle 36 drehbar gelagert, die an ihrem einen Ende die Exzenterscheibe
3 trägt und an ihrem anderen
Ende eine die Exzenterscheibe 2 tragende
Welle 37 drehbar führt, die durch einen Verstellmotor 31 über ein Planetenradgetriebe
30 mit sehr großem Untersetzungsverhältnis gegenüber der Hohlwelle 36 relativ verdrehbar
ist. Wie bereits in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, sind die Exzenterscheiben
2 und 3 in Gelenken 5 und 6 mit den Enden von Schubstangen 7 und 8 verbunden, die
ihrerseits an Außengelenken 20 und 21 des Balancierbalkens 18 angelenkt sind. Der
Balancierbalken trägt in seinem Mittelgelenk 19 einen Werkzeugträger 22 bzw. das
Prüfstück23. Dem Verstellmotor31 wird über Schleifringe 32 Spannung zugeführt.