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Zylindrische Schraubenfeder mit progressiver Federcharakteristik zur
Verwendung in elektromagnetischen Vibratoren Die Erfindung bezieht sich auf eine
zylindrische Schraubenfeder mit progressiver Federcharakteristik, insbesondere für
die Verwendung bei elektromagnetischen Vibratoren, mit konstantem Außendurchmesser,
konstantem Drahtdurchmesser und konstanter Steigung, wobei der Federweg eines Teiles
der Federwindungen durch eine feste Zwischenlage verkürzt ist.
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Große Schraubenfedern werden, vorzugsweise wenn große Federwege zu
bewältigen sind, bei elektromagnetischen Vibratoren eingesetzt. Diese Federn sind
im allgemeinen aus Gründen der Dauerfestigkeit, jedoch auch aus Kostengründen, mit
konstantem Außendurchmesser, konstantem Drahtdurchmesser, mit gleichmäßiger Steigung
und ohne angelegte Endwindungen ausgelegt und haben eine lineare Federkennlinie.
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Elektromagnetische Vibratoren sind schwingungsfähige Gebilde mit ausgeprägter
Eigenfrequenz, die durch periodische Kraftimpulse, im allgemeinen elektromagnetischer
Art, zur weitgehend konstanten Schwingung angeregt werden. Sie werden in zunehmendem
Maße zum Antrieb von Förderrinnen zum Transport von Schüttgütern u. ä. verwendet.
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Durch die Ausbildung des konstruktiven Aufbaues des Vibrators wird
jede Feder vorgespannt, damit während der Schwingung kein Entspannen und damit Abheben
der Federenden stattfinden kann. In der Kennlinie I des bekannten Federdiagramms
Kraft über Weg in F i g. 1 liegt der Arbeitspunkt beispielsweise bei A.
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Bei Nennbetrieb schwingt die Feder zwischen den Punkten
B und B'. Der antreibende Elektromagnet besteht aus zwei Teilen: dem
offenen bewickelten Kernteil und dem Schließanker, wobei jeder Teil an einer der
beiden gegeneinander schwingenden Massen befestigt ist. Der Stromimpuls setzt sich
im Elektromagneten in einen Zugkraftimpuls um, der die im Ruhezustand mit einem
gewissen Abstand voneinander stehenden Massen, der mit der Luftspaltlänge des Elektromagneten
definiert wird, gegen die Federkraft aufeinanderzuzieht. Da jedoch ein Zusammenschlagen
der Massen mit großer Kraft und demzufolge großer Abnutzung erfolgen würde, darf
der Kraftimpuls nur eine bestimmte Größe und Dauer aufweisen, so daß die gespannte
Federkraft den Massen wieder eine Beschleunigung in der entgegengesetzten Richtung,
also auseinander, erteilt. Die Einstellung des Luftspaltes der elektromagnetischen
Vibratoren wird demgemäß derart vorgenommen, daß erst bei einer wesentlich größeren
Amplitude als der Nennamplitude dieses Anschlagen zwischen Magnet und Anker stattfindet.
Im Diagramm der F i g. 1 ist der Punkt, wo Magnet und Anker zusammenschlagen würden,
durch C bezeichnet. Hier besteht zwischen den Windungen der Schraubenfeder immer
noch ein ausreichender Weg, da die Blockhöhe theoretisch erst bei dem Punkt D erreicht
werden könnte.
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Die lineare Charakteristik der Federkennlinie hat für den speziellen
Einsatz im magnetischen Vibrator folgenden Nachteil: Da die Zugkraft quadratisch
mit der Spannung anwächst und auch das elektromagnetische Streuverhalten die überproportionale
Charakteristik der Zugkraft des Elektromagneten vergrößert, muß ein relativ großer
Abstand der Massen bzw. des Luftspaltes vorgesehen werden, damit auch bei vorkommenden
Überspannungen kein Anschlagen von Magnet und Anker stattfindet. Diese Maßnahme
hat, abgesehen von der Federbeanspruchung, zur Folge, daß, da die Stromaufnahme
direkt vom Luftspalt abhängig ist, die Scheinleistungsaufnahme recht erheblich wird.
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Andererseits werden Vibratoren im allgemeinen als Antrieb für Abzugsrinnen
für schüttförmiges Fördergut eingesetzt, und hier besteht, insbesondere bei feuchtem
und dabei feinkörnigem Fördergut, die Gefahr des Anbackens an den Innenwänden des
Fördertroges. Das angebackene Material erhöht das Gewicht des Fördertroges, und
da das mechanische System eine Eigenfrequenz besitzt, die wenig über der Antriebsfrequenz
liegt, wird durch Erhöhung des Gewichtes die Eigenfrequenz gesenkt. Infolge des
verringerten Frequenzabstandes und der von der
Speisung vorgegebenen
Zugkraft ergibt sich eine höhere Schwingamplitude, die bei extremen Bedingungen
dazu führen kann, daß der Vibrator schon in Anschlagbetrieb kommt und das, obwohl
noch Nennspannung vorliegt.
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Eine Verbesserung des Betriebsverhaltens kann durch den Einsatz einer
Feder mit progressiver Federkennlinie erfolgen. Federn mit progressiver Kennlinie
sind an und für sich bekannt, und zwar wirken sie in allen Fällen durch Anliegen
eines mehr oder weniger großen Teiles der Windungen, also durch die Verminderung
der effektiv wirksamen Windungszahl. Es sind Federnausführungen bekannt, bei denen
der Drahtdurchmesser, der Außendurchmesser oder beides veränderlich ist. Federn
mit angelegten Endwindungen, die beim Zusammendrücken ihre Gangzahl suksessiv verändern,
sind bei einem Schwingantrieb jedoch nur sehr bedingt einsetzbar, da neben einem
lästigen bis unzumutbarem Geräusch auch eine Reibkorrosion an den Auflageflächen
entsteht, wodurch die Standfestigkeit der Feder erheblich herabgesetzt wird.
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Außerdem ist die Herstellung von Federn mit unterschiedlichem, jedoch
definiertem Gangspiel sehr aufwendig, falls große Anforderungen an die Genauigkeit
gestellt werden.
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Bei kleineren und weniger beanspruchten Schraubenfedern ist es schon
bekannt, einen zylindrischen Körper mit einer schraubenförmig umlaufenden angeformten
Rippe so in die Feder einzudrehen, daß die Rippe den Federweg eines Teiles der Federwindungen
verkürzt, so daß sie schon bei einem Teil des ganzen Weges zum Anliegen kommen und
der restliche Teil der Federwindungen den Restdruck allein aufnimmt. Dadurch wird
eine veränderte Federcharakteristik erzielt, die je nach der Anzahl der so stillgelegten
Federwindungen um 50 bis 10011/0, von der ursprünglichen Steigung abweicht. Allerdings
ist dieser Gewindeeinsatz relativ teuer, bei großen und sehr großen Federn wird
er aus Kistengründen praktisch nicht anwendbar und höchst unwirtschaftlich, wenn
nur eine kleinere Veränderung der Charakteristik ausreicht.
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Eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung bei unbeeinträchtigter
Standfestigkeit wird bei einer , zylindrischen Schraubenfeder mit progressiver Federcharakteristik,
insbesondere für die Verwendung bei elektromagnetischen Vibratoren, mit konstantem
Außendurchmesser, konstantem Drahtdurchmesser und konstanter Steigung, wobei der
Federweg eines ; Teiles der Federwindungen durch eine feste Zwischenlage verkürzt
ist, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Zwischenlage als auf der Federauflage
befestigtes keilförmiges Klemmstück ausgebildet ist, das den Federweg der ersten
Federwindung begrenzt.
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An Hand der F i g. 2 und 3 werden die Erfindung und ihre Wirkungsweise
an Hand der F i g. 1 Kurve 1I im folgenden erläutert.
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Zwischen den Federauflagern 1 und 2 ist eine Schraubenfeder 3 mit
relativ wenigen Gängen und senkrecht zur Längsachse geschliffenen Auflage-Flächen
eingespannt. Am Auflager 2 ist ein Klemmstück 4 mit zwei Schrauben 5 unter der ersten
Federwindung so befestigt, daß diese Federwindung nach einem definierten Weg beim
Zusammendrücken darauf anliegt und beim weiteren Zusammendrücken der Feder nicht
mehr mitwirkt. Das Klemmstück muß natürlich eine der Steigung der Feder ängepaßte
keilförmige Gestalt haben und erhält zur weiteren Abminderung der Flächenpressung
eine der Federwindung angepaßte nutartige Vertiefung in seiner Oberfläche, in der
die ]Federwindung beim Hineindrücken satt aufliegt. Die Federkonstante erhöht sich,
da die freie Windungslänge um diesen festliegenden Betrag vermindert wurde. Der
Abstand h 1, der am Punkt R gilt, wird im praktischen Einsatz so bemessen, daß das
Anliegen der Windungen an dem Klemmstück bei einer bestimmten Schwingamplitude,
die über der Nennamplitude liegt, eintritt.
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In F i g. 1 ist mit Kennlinie II das damit erzielbare Verhalten aufgezeichnet.
Ab Nennbetriebspunkt B kommt an einer Stelle der Feder eine Windung an das Klemmstück
zum Anliegen. Dieser keilförmige Teil ist so bemessen, daß beim ]Federweg, der dem
Anschlagbetrieb entspricht, über die gesamte Länge, also vom Punkt 12 bis Punkt
S in F i g. 2, die Feder anliegt. Hierdurch vermindert sich die wirksame Windungszahl
um den Sektor, der auf dem keilförmigen Stück anliegt. Da die Federrate proportional
1/i ist, wobei mit i die Gangzahl bezeichnet ist, erhöht sich die erforderliche
Kraft vom Punkt PC auf den Punkt Pc 1. Der Arbeitspunkt einer derartigen Feder liegt
bei Anschlagbetrieb bei Cl. Würde diese Feder bis zur Blockhöhe. zusammengedrückt,
dann verlief ihre Federkennlinie entsprechend der vermindenen Windungszahl bis zum
Punkt D., der infolge der Wirkung des Keilstückes bei einem kleineren Wert des Federweges,
jedoch bei einem höheren Wert der Federkraft bei Pp 1 liegt.
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Diese Anordnung einer progressiven Feder, wobei die Progressivität
erst über dem Nennbetriebspunkt einsetzt, hat den Vorteil, daß bei Nennbetrieb öder
bei Schwingungsamplituden, die kleiner sind als der Nennbetrieb, kein Anliegen der
Windungen an das Klemmstück stattfindet und damit auch keine Beeinflussung der linearen
Federcharakteristik.
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Tritt jedoch ein außergewöhnlicher Betriebszustand auf, sei er hervorgerufen
durch erhöhte überspannung oder durch Ankopplung, so erhöht sich die Federrate bei
dieser großen Amplitude, was zur Folge hat, daß ein Anschlägen des Vibrators praktisch
nicht stattfinden kann.
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Außerdem besteht, ahne die Gefahr des Anschlagens zu vergrößern, die
Möglichkeit, den Ruheluftspalt zu verkleinern, also den Punkt, bei dem ein Anschlagen
stattfinden würde, von C1 auf C, zu versetzen, was zur Folge hat, daß die Seheinleistungsaufnahme
niedrigere Weite annimmt.
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Für die konstruktive Ausführung bestehen mehrere Möglichkeiten, wobei
nicht nur ein Klemmstück an einer Federauflagerseite verwendet werden kann, sondern
ebenfalls auf der anderen Federauflagerseite, so daß die Zunahme der Steigung verdoppelt
werden kann, oder durch gegenseitige Winkelverschiebung der beiden Klemmstücke kann
eine zweistufige Kennlinienprogression erreicht werden.
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Die Herabsetzung des Gangspiels ,auf erfindungsgemäße Weise setzt
zunächst eine genaue Herstellung der Feder voraus, um ein definiertes Ansprechen,
d. h. Zusammentreffen der Punkte mit dem niedrigsten Gangspiel bei einer vorgegebenen
Amplitude, zu erreichen. Um den Punkt genau zu finden, ist unter Umständen eine
Änderung der Vorspannung erforderlich. Eine einfachere und vor allem in ihrer Einstellbarken
.günstigere Anordnung bietet die
in F i g. 2 und 3 gezeigte Ausführung
des Klemmstückes 4 mit Langlöchern, so daß der Abstand h 1
und damit
das Einsetzen der Progressivität einstellbar ist.