DE1210222B

DE1210222B - Coupling body for the transmission of mechanical vibration energy

Info

Publication number: DE1210222B
Application number: DEA40359A
Authority: DE
Inventors: James Byron Jones; Carmine Frank Deprisco; Nicholas Maropis
Original assignee: Aeroprojects Inc
Current assignee: Aeroprojects Inc
Priority date: 1961-06-05
Filing date: 1962-06-04
Publication date: 1966-02-03

Description

Kopplungskörper zur übertragung mechanischer Schwingungsenergie Die Erfindung bezieht sich auf einen Kopplungskörper zur Übertragung mechanischer Schwingungsenergie mehrerer elektromechanischer, vorzugsweise magnetostriktiver, phasengleich arbeitender Schwingungserzeuger auf ein Werkstück, Werkzeug od. dgl.Coupling body for the transmission of mechanical vibration energy The invention relates to a coupling body for transmitting mechanical vibration energy several electromechanical, preferably magnetostrictive, working in phase Vibration generator on a workpiece, tool or the like.

Für die meisten Anwendungsfälle mechanischer Schwingungsenergie werden verhältnismäßig kleine Energiemengen benötigt. Die Verwendung von Hochleistungsgeräten statt der üblichen Geräte geringer Leistung würde die Kosten unnötig erhöhen und häufig auch nicht zu dein beabsichtigten Erfolg führen. In anderen Anwendungsfällen ließe sich dagegen ein größerer Erfolg erzielen, wenn größere Leistungsmengen als mit den - bisher üblichem Schwindungskopplern übertragen werden könnten.For most applications mechanical vibration energy will be relatively small amounts of energy are required. The use of high performance equipment instead of the usual low-power devices, the costs would increase unnecessarily and often do not lead to your intended success either. In other use cases on the other hand, greater success could be achieved if greater amounts of output than could be transmitted with the - previously common shrinkage couplers.

Für zur Leistungsabgabe geeignete Schwingungssysteme bestehen in der Regel aus drei Grundbestandteilen: einer Stromversorgungs- und Antriebseinheit für die Umwandlung elektrischer Energie in eine für einen elektromechanischen Wandler geeignete Schwingungsenergie; einem elektromechanischen Wandler, beispielsweise einem magnetostriktiven, elektrostriktiven oder einem piezoelektrischen Wandler zur Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Schwingungsenergie; einem Koppler oder einem Kopplungssystem, das für den Betrieb mit der erzeugten Frequenz geeignet ist und zur Übertragung der mechanischen Schwingungsenergie zum Werkstück dient. Die elektrische Eingangsleistung für einen magnetostriktiven Wandler bei einer festen Frequenz ist im wesentlichen eine Funktion des Volumens des magnetostriktiven Materials und der Last, an welche die Energie abgegeben wird. Die Ausgangsleistung des Wandlers ist durch die zulässige Eingangsenergie und durch den Umwandlungswirkungsgrad für die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Schwingungen begrenzt.For vibration systems suitable for outputting power, there are Usually made up of three basic components: a power supply and drive unit for the conversion of electrical energy into one for an electromechanical converter suitable vibration energy; an electromechanical converter, for example a magnetostrictive, electrostrictive or a piezoelectric transducer for converting electrical energy into mechanical vibration energy; one Coupler or a coupling system that is designed to operate at the generated frequency is suitable and for the transmission of the mechanical vibration energy to the workpiece serves. The electrical input power for a magnetostrictive transducer at a fixed frequency is essentially a function of the volume of the magnetostrictive Material and the load to which the energy is delivered. The output power of the converter is due to the permissible input energy and the conversion efficiency limited for the conversion of electrical energy into mechanical vibrations.

Da mit zunehmender Größe die Kühlung und die Wirbelstromabschirmung bei einem magnetostriktiven Wandler immer schwieriger wird und schließlich nicht mehr ausreichend durchführbar ist, kann bei einem solchen Wandler eine bestimmte Größe nicht überschritten werden. Diese Erscheinung bringt es mit sich, daß die Energieabgabe an das Werkstück bzw. das Werkzeug mit zunehmender Größe immer ungünstiger wird.Since with increasing size the cooling and the eddy current shielding with a magnetostrictive transducer becomes more and more difficult and ultimately not is more sufficiently feasible, a certain Size must not be exceeded. This phenomenon means that the Energy dissipation to the workpiece or the tool becomes more and more unfavorable with increasing size will.

Das gleiche gilt auch für die Abmessungen des mit dem Wandler zusammenarbeitenden Kopplungskörpers, -der in der Regel in Abhängigkeit von dem verwendeten Material und der Schwingungsfrequenz eine Länge von einer halben Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen hat. Ein derartiger Kopplungskörper schwingt nicht mehr mit dem gewünschten Modus, wenn die Abmessungen des Querschnitts -des Kopplungskörpers mehr als etwa eine Vierteiwellenlänge, in Abhängigkeit von der Frequenz der Schallquelle und dem verwendeten Material beträgt.The same also applies to the dimensions of the cooperating with the transducer Coupling body, which usually depends on the material used and the oscillation frequency a length of half a wavelength or an integer Has multiples. Such a coupling body no longer vibrates with the desired one Mode if the dimensions of the cross-section of the coupling body is more than about a quarter wavelength, depending on the frequency of the sound source and the used material.

Wenn also das Verhältnis von Durchmesser zur Wellenlänge zunimmt, kann ein derartiges Kopplungssystem nicht mehr im Longitudinalmodus zum Schwingen erregt werden, da mit dieser Durchmesseränderung das Verhältnis der Phasengeschwindigkeit zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der Longitudinalrichtung auf einen solch niedrigen Wert abfällt, daß sich eine andere Schwingungsform einstellt.So if the ratio of diameter to wavelength increases, Such a coupling system can no longer vibrate in the longitudinal mode are excited, because with this change in diameter, the ratio of the phase velocity to the speed of propagation in the longitudinal direction to such a low one Value drops that a different waveform occurs.

Auf Grund dieser Tatsachen kann eine vergrößerte Leistungsabgabe durch eine Vergrößerung des Wandlers und des ihm zugeordneten Kopplungskörpers nur innerhalb gewisser Grenzen erzielt werden.Based on these facts, an increased power output can be achieved an enlargement of the transducer and the coupling body assigned to it only within certain limits can be achieved.

Es ist bereits bekannt, zur Überwindung dieser Schwierigkeiten und zur Vergrößerung der an einem Werkzeug zur Verfügung stehenden Schwingungsenergie mehrere Wandler über einen Kopplungskörper auf ein Werkzeug arbeiten zu lassen.It is already known to overcome these difficulties and to increase the vibration energy available on a tool to let several transducers work on one tool via a coupling body.

Dieser fächerförmige Kopplungskörper ist wohl hinsichtlich seiner Abmessungen auf die zu übertragende Frequenz abgestimmt, jedoch ist es wegen der unerwünschten und nicht zu unterdrückenden Nebenkopplungen nicht zu verhindern, daß von der Sollfrequenz abweichende Schwingungsformen auftreten.This fan-shaped coupling body is probably in terms of its Dimensions on the to be transferred Frequency matched, however it is not because of the unwanted and unsuppressable secondary couplings to prevent waveforms deviating from the nominal frequency from occurring.

Der Erfindung liegt die-Aufgabe zugrunde, einen Kopplungskörper zu schaffen,. der diese Nachteile überwindet und mit dem einem Werkstück oder Werkzeug eine erhöhte-Schwingungsenergie zugeführt werden kann, ohne daß sieh dabei der Schwingmodus, in dem die Energie übertragen wird, ändert.The invention is based on the object of providing a coupling body create,. which overcomes these disadvantages and with the one workpiece or tool an increased vibration energy can be supplied without having to see the vibration mode, in which the energy is transferred changes.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst,..daß der Kopplungskörper aus einem kegelstumpfförmigen Abschnitt sowie einem an dessen schmales Ende sich axial anschließenden zylindrischen Abschnitt und mindestens zwei an das breite Ende des kegelstumpfförmigen Abschnitts sich anschließenden, divergierenden, durch einen Einschnitt getrennten Armen besteht und daß die axiale Länge des Kopplungskörpers zwischen den Endflächen an den Armen- und der Endfläche des zylindrischen Abschnitts eine halbe Wellenlänge oder ein ganzes Vielfaches davon beträgt und der von den Armen eingeschlossene Winkel a unterhalb des kritischen Winkels von etwa 76° liegt.This object is achieved .. that the coupling body consists of a frustoconical section and one axially adjoining its narrow end cylindrical section and at least two at the broad end of the frustoconical Section adjoining, diverging, separated by an incision Arms and that the axial length of the coupling body between the end faces at the arm and end faces of the cylindrical section half a wavelength or a whole multiple thereof and the angle enclosed by the arms a is below the critical angle of about 76 °.

Ein derartiger erfindungsgemäß gestalteter Kopplungskörper besitzt gegenüber dem bekannten Kopplungssystem, mit dem die Schwingungsenergie mehrerer Erzeuger vereinigt werden kann, den Vorteil, daß das System mit Sicherheit im gewünschten Modus schwingt. Dies ist auch dann gewährleistet, wenn sich die Arme bei verschiedener Länge um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der Sollfrequenz unterscheiden. Da bei einer derartigen Anordnung der Arme die Teilchenverdrängung und die Kraft phasengleich sind, wird eine maximale Leistungsübertragung erzielt.Such a coupling body designed according to the invention has compared to the known coupling system, with which the vibration energy of several Producers can be united, the advantage that the system with security in the desired Mode swings. This is guaranteed even when the arms are different Differentiate length by an integer multiple of the wavelength of the target frequency. Since with such an arrangement of the arms, the particle displacement and the force are in phase, maximum power transfer is achieved.

Eine weitere zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mehrere, z. B. sechs Arme des Kopplungskörpers achsensymmetrisch längs einer Kreislinie derart angeordnet sind, daß sie einen konischen Abschnitt bilden, der in einen zylindrischen Abschnitt übergeht, und daß der konische Abschnitt in der Mitte eine konische Ausnehmung aufweist und an dem Ende mit größtem Durchmesser mit mehreren, z. B. sechs Schlitzen versehen ist.Another expedient development of the invention consists in that several, z. B. six arms of the coupling body axially symmetrical along one Circular line are arranged such that they form a conical section, the merges into a cylindrical section, and that the conical section in the Center has a conical recess and at the end with the largest diameter with several, e.g. B. six slots is provided.

Diese vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, besonders hohe Energiebeträge auf ein Werkzeug oder Werkstück zu übertragen.This advantageous development of the invention makes it possible in particular transfer high amounts of energy to a tool or workpiece.

Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt; es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht des Kopplungskörpers gemäß der Erfindung, wobei Teile im Schnitt dargestellt sind, F i g. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Ausführungsform des Kopplungskörpers gemäß der Erfindung, F i g. 3 eine Aufsicht auf den Kopplungskörper gemäß F i g. 2, F i g. 4 eine Teilansicht des in F i g.1 dargestellten Kopplungskörpers.An example embodiment of the invention is shown in the drawing shown; it shows F i g. 1 shows a side view of the coupling body according to FIG Invention, parts being shown in section, FIG. 2 a side view, partly in section, according to a further embodiment of the coupling body of the invention, FIG. 3 shows a plan view of the coupling body according to FIG. 2, F i g. 4 is a partial view of the coupling body shown in FIG.

In der Zeichnung, in welcher gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen, ist in F i g. 1 der Kopplungskörper gemäß der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet.In the drawing, in which like reference numerals show like elements denote, is in F i g. 1 of the coupling body according to the invention generally with 10 designated.

Der Kopplungskörper 10 besitzt einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 12 und einen zylindrischen Abschnitt 14, der sich in Längsrichtung von dem Ende mit dem kleineren Durchmesser des kegelstumpffvrmigen Abschnittes 12 aus erstreckt. Das, Ende mit dem größeren Durchmesser des kegelstumpfförmigen Abschnitts 12 ist mit einem Schlitz 16 versehen, der sich in der Längsrichtung des kegelstumpfförmigen Abschnitts 12 zur, Bildung- von - zwei divergierenden Armen 18 erstreckt, Die. jedes .der Arme 18 verläuft senkrecht zu der Längsachse der Arme. Der gerade Abschnitt 14 und die Arme 18 können sowohl einen rechteckigen als auch einen kreisförmigen Querschnitt haben. Im allgemeinen ist die Querschnittsfläche des geraden Abschnitts 14 in F i g.1 (entsprechend 47 in F i g. 2) nicht größer als der Eckquerschnitt der Arme 18 in F i g. 1 (oder 54 in F i g. 2).The coupling body 10 has a frustoconical section 12 and a cylindrical section 14 which extends in the longitudinal direction from the end with the smaller diameter of the frustoconical section 12 . The end with the larger diameter of the frustoconical portion 12 is provided with a slot 16 extending in the longitudinal direction of the frustoconical section 12, Education- of - extending two diverging arms 18, The. each of the arms 18 is perpendicular to the longitudinal axis of the arms. The straight section 14 and the arms 18 can have a rectangular as well as a circular cross-section. In general, the cross-sectional area of the straight section 14 in FIG. 1 (corresponding to 47 in FIG. 2) is no greater than the corner cross-section of the arms 18 in FIG. 1 (or 54 in Fig. 2).

Die Endfläche 20 jedes der Arme 18 stößt gegen das eine Ende eines gesonderten Kopplungsgliedes 22 und ist an diesem durch einen Gewindebolzen 24 befestigt. Der Bolzen 24 ist an seinen beiden Enden mit einem Gewinde versehen, wobei das eine Ende in eine Bohrung 26 im Arm 18 und das andere Ende in eine Bohrung 28 im Kopplungsglied 22 eingeschraubt ist.The end face 20 of each of the arms 18 abuts against one end of a separate coupling member 22 and is fastened to this by a threaded bolt 24. The bolt 24 is provided with a thread at both ends, one end being screwed into a bore 26 in the arm 18 and the other end being screwed into a bore 28 in the coupling member 22.

Jedes der Kopplungsglieder 22 (welche in herkömmlicher Weise eine physikalische Länge haben, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Schallwellenlänge bei der für das verwendete Material eigenen Sollfrequenz ist) kann in einem Rahmen mit Hilfe einer kraftunempfindlichen Halterung 30 gelagert werden. Die kraftunempfindliche Halterung 30 wird durch einen zylindrischen Metallmantel, beispielsweise einen zylindrischen Stahlmantel, gebildet, dessen Resonanzfrequenz von seinem Material und seiner Gestaltung abhängig ist. Der Mantel der kraftunempfindlichen Halterung 30 hat eine Länge von einer halben, für das verwendete Metall spezifischen, der zugeführten Frequenz entsprechenden Wellenlänge oder eine Länge, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen dieser halben Wellenlänge ist.Each of the coupling members 22 (which in a conventional manner have a physical length which is equal to an integral multiple of half a sound wavelength at the desired frequency specific to the material used) can be mounted in a frame with the aid of a force-insensitive holder 30. The force-insensitive holder 30 is formed by a cylindrical metal jacket, for example a cylindrical steel jacket, the resonance frequency of which depends on its material and its design. The jacket of the force-insensitive holder 30 has a length of half a wavelength which is specific to the metal used and which corresponds to the supplied frequency or a length which is equal to an integral multiple of this half wavelength.

Das eine Ende 32 der kraftunempfindlichen Halterung 30 ist mit dem Kopplungsglied 22 metallisch verbunden. Das andere Ende 34 der kraftunempfindlichen Halterung 30 ist frei. Von dem Mantel erstreckt sich ein ringförmiger Flansch 36 radial nach außen.One end 32 of the force-insensitive holder 30 is connected to the coupling member 22 by metal. The other end 34 of the force-insensitive holder 30 is free. An annular flange 36 extends radially outward from the shell.

Die kraftunempfindliche Halterung 30 ist als Elmore-Halterung bereits bekannt. Da das Ende 34 frei liegt, entsteht in der kraftunempfindlichen Halterung 30 am Flansch 36 ein echter Knoten. Eine solche Halterung ist sowohl für Anwendungsfälle mit und ohne Kraftübertragung zweckmäßig. Mit dem einen Ende jedes der Glieder 22 ist ein magnetostriktiver Wandler 38 metallisch verbunden, der jedoch auch unmittelbar mit der Fläche 20 verbunden sein kann, wenn das zwischenliegende Kopplungsglied 22 nicht verwendet wird. Jeder der magnetostriktiven Wandler 38 ist von herkömmlicher Art und weist einen geschichteten Kern aus magnetostriktivem Material auf, der so zu bemessen ist, daß eine axial gerichtete Resonanzschwingung mit der Frequenz des zugeführten Wechselstromes gewährleistet wird.The force-insensitive bracket 30 is already available as an Elmore bracket known. Since the end 34 is exposed, it arises in the force-insensitive holder 30 on the flange 36 a real knot. Such a bracket is for both use cases useful with and without power transmission. With one end of each of the links 22 a magnetostrictive transducer 38 is metallically connected, but also directly may be connected to the surface 20 if the intermediate coupling member 22 is not used. Each of the magnetostrictive transducers 38 are conventional Art and has a layered core of magnetostrictive material that is so is to be dimensioned that an axially directed resonance oscillation with the frequency of the supplied alternating current is guaranteed.

Jeder der magnetostriktiven Wandler 38 ist mit einer Polarisationswicklung 40 und mit einer Erregerwicklung 42 versehen.Each of the magnetostrictive transducers 38 is provided with a polarization winding 40 and with an excitation winding 42 .

Die Länge des Kopplungskörpers zwischen den Endflächen 20 an den Armen 18 und der Endfläche 44 des geraden Teils 14 soll annähernd ein geradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge der zugeführten, für das verwendete Material spezifischen Frequenz sein. Die Arme 18 haben vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, die gleiche Länge. Jeder Längenunterschied soll ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen betragen. Die Arme sollen jedoch ausreichend lang sein, so daß der maximale durchgehende Abstand X nicht viel größer ist als eine Viertelwellenlänge der für das Material spezifischen Sollfrequenz. Es ist besonders zu beachten, daß der Trennungswinkel a zwischen den Armen 18 kritisch ist und unterhalb eines Wertes liegen soll, bei welchem eine Dämpfung ohne Phasenänderung auftritt, vorzugsweise sogar unter der Hälfte dieses Wertes. Phasenveränderungen, welche eine Dämpfung begleiten, führen nämlich zu Veränderungen in der Leistungsübertragung. Eine maximale Leistungsübertragung erfolgt, wenn die Teilchenverdrängung und die Kraft phasengleich sind. Bei einer z. B. aus Monel-Metall hergestellten 15-kHz-Einheit betrug der Winkel a =25°. Die Länge des sich von den Endflächen 20 erstreckenden Schlitzes 16 muß daher für diesen Anwendungsfall weniger als ein Achtel .einer Wellenlänge betragen. Bei dieser Bemessung werden die Arme 18 mit dem Schwingmodus der Sollfrequenz erregt.The length of the coupling body between the end surfaces 20 on the arms 18 and the end face 44 of the even part 14 should be approximately an even multiple a quarter wavelength of the supplied, specific for the material used Be frequency. The arms 18 preferably but not necessarily, the same length. Each difference in length should be an integral multiple of the Wavelengths. However, the arms should be long enough so that the maximum continuous distance X is not much greater than a quarter wavelength the target frequency specific to the material. It is particularly important to note that the angle of separation α between the arms 18 is critical and below a value should be at which attenuation occurs without a phase change, preferably even below half this value. Phase changes which cause attenuation accompany, namely lead to changes in the transfer of power. A maximum Power transfer occurs when the particle displacement and the force are in phase are. At a z. B. 15 kHz unit made of Monel metal, the angle was a = 25 °. The length of the slot 16 extending from the end surfaces 20 must be therefore, for this application, be less than one eighth of a wavelength. With this dimensioning, the arms 18 are excited with the oscillation mode of the setpoint frequency.

Der Winkel a soll aber auch ausreichend groß sein, damit die Wandler richtig und leicht befestigt werden können und damit eine geringstmögliche Wechselwirkung zwischen den einzelnen Wandlern und den zugeordneten magnetischen Feldern stattfindet. Andererseits muß der Winkel a unter dem vorerwähnten kritischen Winkelwert liegen, d. h. vorzugsweise unter dem Wert, bei welchem eine Dämpfung ohne Phasenänderung eintritt. Dieser kritische Winkelwert läßt sich ausgehend von Fig. 4 mit Hilfe der Theorie für die Schwingungsübertragung längs einem gebogenen Stab errechnen und liegt bei einem Wert von etwa a = 76°.However, the angle a should also be large enough to allow the converter can be attached correctly and easily and thus the least possible interaction takes place between the individual transducers and the associated magnetic fields. On the other hand, the angle a must be below the aforementioned critical angle value, d. H. preferably below the value at which an attenuation without a phase change entry. This critical angle value can be based on FIG. 4 with the aid of the Calculate the theory for the transmission of vibrations along a curved rod and is at a value of about a = 76 °.

Um eine Dämpfung zu vermeiden, muß der Winkel unter dem angegebenen Wert und vorzugsweise unter der Hälfte dieses Wertes gehalten werden. Wie erwähnt, wurde festgestellt, daß mit 25° sehr zufriedenstellend gearbeitet werden kann.To avoid attenuation, the angle must be below the specified Value and preferably be kept below half this value. As mentioned, it was found that 25 ° can be used very satisfactorily.

Es ist besonders zu beachten, daß die Wandler 40 phasengleich arbeiten. Bei dem in F i g.1 dargestellten System kann daher die Endfläche 44 die doppelte Menge Schwingungsenergie abgeben, welche von jedem der Wandler 40 erzeugt wird. Um dieses wünschenswerte Ergebnis zu erzielen, muß der Koppler 10 in der angegebenen Weise ausgebildet sein. Die Endfläche 44 braucht nicht flach zu sein, sondern kann beispielsweise ein Ringkörper sein.It is particularly important to note that the transducers 40 operate in phase. In the system shown in FIG. 1, the end face 44 can therefore emit twice the amount of vibrational energy that is generated by each of the transducers 40. In order to achieve this desirable result, the coupler 10 must be designed in the manner indicated. The end surface 44 does not need to be flat, but can for example be an annular body.

Obwohl der in F i g. 1 dargestellte Kopplungskörper 10 gemäß der Erfindung zwei Arme für die Übertragung der von zwei gesonderten Wandlern erzeugten Schwingungsenergie besitzt; kann der Kopplungskörper mit jeder gewünschten Zahl von Armen versehen werden, die in gleichmäßiger Anordnung um das Ende mit dem großen Durchmesser des konischen Abschnitts 12 des Kopplers 10 zu verteilen sind. Wenn nur zwei Arme vorhanden sind, kann die Gestaltung nach Art einer Astgabel mit einem vollen gemeinsamen Abschnitt vorgesehen werden. In diesem Fall ist der Winkel a besonders kritisch, da -die Gestaltung nicht die erhöhte Quersteifigkeit hat, welche bei einer kreisförmigen Symmetrie möglich ist, wie beispielsweise bei der in F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform eines Kopplungskörpers 45.Although the one shown in FIG. 1 shown coupling body 10 according to the invention two arms for the transmission of the vibrational energy generated by two separate transducers owns; the coupling body can be provided with any desired number of arms be arranged in an even arrangement around the end with the large diameter of the conical section 12 of the coupler 10 are to be distributed. When there are only two arms can be designed in the manner of a fork of a branch with a full common section are provided. In this case, the angle α is particularly critical because the design does not have the increased transverse stiffness that is associated with circular symmetry is possible, as for example in the case of FIG. 2 and 3 illustrated embodiment a coupling body 45.

Wie sich aus F i g. 2 ergibt, besitzt der Koppler 45 einen konischen Abschnitt 46 und einen geraden zylindrischen Abschnitt 47, der sich von. dem Ende mit dem kleineren Durchmesser des konischen Abschnitts 46 aus erstreckt. Der konische Abschnitt 46 weist eine konische Ausnehmung 48 in der Mitte seines Endes mit dem größeren Durchmesser auf und ist an seinem Ende mit dem größeren Durchmesser mit sechs Schlitzen 50 versehen, die sich von der Außenfläche des konischen Abschnitts 46 zur Ausnehmung 48 erstrecken.As can be seen from FIG. 2, the coupler 45 has a conical portion 46 and a straight cylindrical portion 47 extending from. the end with the smaller diameter of the conical portion 46 extends from. The conical section 46 has a conical recess 48 in the middle of its end with the larger diameter and is provided at its end with the larger diameter with six slots 50 which extend from the outer surface of the conical section 46 to the recess 48.

Die Schlitze 50 sind in gleichmäßigen Abständen um die konische Ausnehmung 48 herum vorgesehen, wie sich am besten aus F i g. 3 ergibt.The slots 50 are evenly spaced around the conical recess 48 as best seen in FIG. 3 results.

Alle Schlitze 50 haben eine gleiche Länge, die der Länge des Schlitzes 16 entspricht, d. h. vorzugsweise ein Achtel einer Wellenlänge, entsprechend den Eigenschaften und der Gestaltung des Materials des Kopplers 45. Infolge der Schlitze 50 hat- der Koppler 45 sechs Arme 52, die in .gleichmäßigen Abständen von dem Ende mit dein größeren Durchmesser des konischen Abschnitts 46 abstehen. Die Endfläche 54 jedes der Arme 52 ist annähernd senkrecht zur Längsachse der Arme 52. Ferner ist die Endfläche 54 jedes der Arme 52 mit einer der Bohrung 26 ähnlichen Gewindebohrung 56 versehen. An der Endfläche 45 jedes der Arme 52 können ein Kopplungsglied und ein Wandler ähnlich dem Kopplungsglied 22 und dem Wandler 38 angebracht werden. Hierbei ist zu erwähnen, daß auch eine Hartlösung an Stelle einer mechanischen Schraubverbindung der Elemente möglich ist.All slots 50 have the same length, which corresponds to the length of the slot 16 , ie preferably one eighth of a wavelength, according to the properties and the design of the material of the coupler 45. As a result of the slots 50, the coupler 45 has six arms 52, which in . Uniform distances from the end with the larger diameter of the conical section 46 protrude. The end face 54 of each of the arms 52 is approximately perpendicular to the longitudinal axis of the arms 52. Furthermore, the end face 54 of each of the arms 52 is provided with a threaded bore 56 similar to the bore 26. A coupling link and transducer similar to coupling link 22 and transducer 38 may be attached to end face 45 of each of arms 52. It should be mentioned here that a hard solution is also possible instead of a mechanical screw connection of the elements.

Wenn an jeder Endfläche 54 der Arme 52 ein magnetostriktiver Wandler befestigt wird, kann der Koppler 45 das Vielfache der Schwingungsenergiemenge abgeben, die von jedem der Wandler abgegeben wird. Bei der in F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform arbeitet jeder der Wandler phasengleich.If on each end face 54 of the arms 52 a magnetostrictive transducer is attached, the coupler 45 can emit a multiple of the amount of vibration energy, output from each of the transducers. In the case of the in FIG. 2 and 3 shown Embodiment, each of the transducers works in phase.

Die Erfindung kann sowohl für einen kontinuierlichen Betrieb, wie beispielsweise bei der Fertigungsschweißung, unabhängig davon, ob es sich um eine Ultraschallpunktschweißung oder eine Ultraschall schweißung mit durchlaufender Naht handelt, als auch für einen Kurzzeitbetrieb mit hoher Leistungsabgabe verwendet werden. Dabei ist die kreisförmige Symmetrie nach F i g. 2 und 3 besonders zum Schweißen mit durchlaufender Naht geeignet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein nachfolgendes, sich exponentiell verjüngendes Resonanzkopplungsglied an die Fläche 44 anzukoppeln und dieses Glied seinerseits mit einer Resonanzscheibenspitze zu koppeln. Damit können sowohl höhere Schweißgeschwindigkeiten erzielt und stärkere Materialien verarbeitet werden. Wenn das erfindungsgemäße Gerät in der richtigen Weise ausgebildet ist, kann es die zwei-, drei-, vier-und noch mehrfache Leistung wie ein einziger Wandler abgeben. Beim Bau eines Kopplungskörpers gemäß der Erfindung wird mit den Wandlerabmessungen begonnen, welche sich hauptsächlich aus der Betriebsfrequenz und den vorerwähnten Beschränkungen ergeben. Sodann wird das Glied 22 so bemessen, daß seine Länge ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge beträgt und an seinem einen Ende einen Querschnitt hat, der an die Querschnittsfläche am Ende des Wandlers 38 angepaßt ist. Ferner wird der gewünschte Endfiächenbereich 44 ermittelt, der von dem Endfiächenbereich irgendwelcher, bei 44 anzubringender Resonanzelemente als Endelemente abhängt. Nachdem der Bereich der Endflächen 20 und 44 ermittelt wordenist; kärin-die'Länge'"des Kopplers 10 aus der folgenden Gleichung berechnet Werden: - wobei 2.' die berichtigte Wellenlänge ist, c = Schallgeschwindigkeit im Kopplermaterial, .- 2 .f@ In = natürlicher Logarithmus, f = erforderliche Frequenz, A, = Querschnittsbereich, wenn l = 0, und A" der Querschnittsbereich, wenn Z = x Hierbei ist zu `erwähnen, daß bei der Bestimmung der Länge -des' " Kopplungskörpers 10,. soweit eine Änderung der - Querschnittsbereiche z. B. zwischen den Endflächen 20 und dem geraden Teil 14 eintritt, die bekanutewUmformungsgesetze (beispielsweise für exponentiell konische " oder" parabolisch konische Gestaltung) zu beachten sind. Die Gesetze für eine exponentielle- Verjüngung sind in Verbindung mit der Erfindung besonders vorteilhaft,, da Blindkomponenten vermieden werden.The invention can be used both for continuous operation, for example in production welding, regardless of whether it is an ultrasonic spot welding or an ultrasonic welding with a continuous seam, as well as for short-term operation with high power output. The circular symmetry according to FIG. 2 and 3 particularly suitable for welding with a continuous seam. In this case it is advantageous to couple a subsequent, exponentially tapering resonance coupling member to the surface 44 and to couple this member in turn to a resonance disk tip. This means that higher welding speeds can be achieved and stronger materials can be processed. If the device according to the invention is designed in the right way, it can deliver two, three, four and even more power as a single converter. When building a coupling body according to the invention, one begins with the transducer dimensions, which result mainly from the operating frequency and the aforementioned limitations. The member 22 is then dimensioned so that its length is an integral multiple of half a wavelength and at one end has a cross section which is adapted to the cross-sectional area at the end of the transducer 38. Furthermore, the desired end surface area 44 is determined, which depends on the end surface area of any resonance elements to be attached at 44 as end elements. After the area of the end surfaces 20 and 44 has been determined; kärin-die 'length'"of the coupler 10 can be calculated from the following equation: - where 2. ' is the corrected wavelength, c = speed of sound in the coupler material, - 2 .f @ In = natural logarithm, f = required frequency, A, = cross-sectional area when l = 0, and A "is the cross-sectional area when Z = x It should be mentioned here that when determining the length of the coupling body 10, to the extent that a change in the cross-sectional areas occurs, e.g. between the end faces 20 and the straight part 14, the known laws of transformation (for example for exponentially conical "or "Parabolic conical design) must be observed. The laws for an exponential tapering are particularly advantageous in connection with the invention, since reactive components are avoided.

Wenn die Länge des Kopplers'ermittelt worden ist, ist es einfach, die Länge des Schlitzes 16 zu berechnen. Wie erwähnt, sind die Länge des Schlitzes bzw. der Winkel x kritische und stehen in ihrer Wirkung in Wechselbeziehung mit den vorangehend beschriebenen weiteren Merkmalen, die zur Vermeidung einer unerwünschten Modusumvvandlung und der sich hieraus ergebenden unwirtschaftlichen Leistungsübertragung beachtet werden müssen.Once the length of the coupler has been determined it is easy to calculate the length of the slot 16. As mentioned, the length of the slot or the angle x are critical and their effect is interrelated with the further features described above, which must be taken into account in order to avoid an undesired mode conversion and the uneconomical power transmission resulting therefrom.

Wenn es sich bei den verwendeten Wandlern um magnetostriktive Wandler handelt, sind diese vorzugsweise lösbar mit den Armen in der in F i g. 1 bis 3 gezeigten Weise verbunden. Hierdurch wird das Wickeln der Spulen auf den Staplern erleichtert, und außerdem können die Stapel bei einer Störung leicht ausgewechselt werden. Ferner wird dadurch die Anordnung einer Kühlvorrichtung für die Stapel erleichtert.If the transducers used are magnetostrictive transducers acts, these are preferably releasable with the arms in the in F i g. 1 to 3 shown Way connected. This makes it easier to wind the bobbins on the forklifts, and in addition, the stacks can easily be changed in the event of a fault. Further this facilitates the arrangement of a cooling device for the stacks.

Der Kopplungskörper gemäß der Erfindung wird gewöhnlich als Zwischenglied verwendet; er kann jedoch, beispielsweise im Fall einer Astgabelgestaltung, auch ein Endglied sein. Ferner, er kann auch zur Verwendung mit einem weiteren Kopplungsglied bestimmt sein, dessen Länge eine halbe Wellenlänge beträgt und das gegebenenfalls ein mit der Fläche 44 zu verbindendes Endglied darstellt. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß der Kopplungskörper auch mit einer Anzahl von phasengleich arbeitenden Wandlern verbunden werden kann, wobei die Arme endweise -mit der Schwingungserzeugungseinrichtung verbunden sind,' so "daß '-- sie in axialer-'-Richtüng schwingen. Da die Wandler phasengleich arbeiten, gibt der Kopplungskörper Schwingungsenergie von der Endfläche 44 Logitudinalschwingung "ab: Obwohl die Erfindung "in Verbindung mit einem Ultraschall-Schweißgerät beschrieben wurde, kann die gleiche Anordnung zum Ultraschall-Strangpressen verwendet werden, wodurch eine Erweiterung der Möglichkeiten der Ultraschall-Strangpreßeinrichtüng mit Rücksicht auf die erhöhte Leistung ermöglicht wird, die -mit dem erfindungsgemäßen Koppler erziel= bar ist: "The coupling body according to the invention is usually used as an intermediate link; however, it can also be an end link, for example in the case of a branch fork design. Furthermore, it can also be intended for use with a further coupling member whose length is half a wavelength and which optionally represents an end member to be connected to the surface 44. In this context it should be mentioned that the coupling body can be connected to a number of phase working transducers, said arms -with endwise of the vibration generating device are connected, 'so' that '- they oscillate in the axial -'- Richtüng Da. the transducers work in phase, the coupling body emits vibration energy from the end face 44 longitudinal vibration ": Although the invention" has been described in connection with an ultrasonic welding device, the same arrangement can be used for ultrasonic extrusion, whereby an expansion of the possibilities of ultrasonic Extrusion device is made possible with regard to the increased performance, which can be achieved with the coupler according to the invention: "

Claims

Claims: 1. Coupling body for the transmission of mechanical vibration energy - several electromechanical, preferably magnetostrictive, in-phase vibration generators working on a workpiece, 'tool or the like Section (12, 46) as well as a cylindrical section (14, 47) 'axially adjoining its narrow end and at least two diverging sections (16, 50) adjoining the wide end of the frustoconical section (12, 46) ) -separated arms (18, 52) and that the axial length of the coupling body (10, 45) - between the end surfaces (20, 54) .an the arms and the end surface (44) of the cylindrical portion (14, 47) a half a wavelength = or a whole multiple thereof and .the angle a enclosed by the arms (18, 52) is below the critical angle of approximately 76 °. "2. Coupling body according to claim 1, characterized in that the arms (18, 52)` differ by an integral multiple of the wavelength - the set frequency - with different lengths. 3. Coupling body according to claims 1 and 2, characterized in that that the vibration generators (38) are detachably attached to the ends of the arms (18, 52) 4. Coupling body according to Claims 1 to 3, characterized in that several, e.g., six arms (52) of the coupling body (45) are arranged axially symmetrically along a circular line in such a way that they form a conical section (46) which merges into a cylindrical section (47), and that the conical section (46) has a conical recess (48) in the middle and at the end with the greatest diameter is provided with several, e.g., six slots (50) 5. Coupling body according to claims 1 to 4, characterized in that the length of the slots extending from the end faces (20, 54) (16, 50) with arms of the same length is less than about a quarter of a wavelength. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1129 006; U.S. Patent No. 2,806,328.