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Die Erfindung betrifft einen Arbeitsschwinger zum übertragen von kinetischer
Energie.
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Es ist eine große Anzahl arbeitsleistender mechanischer Schwinger
bekanntgeworden. Die arbeitsleistenden Amplituden dieser Schwinger werden entweder
durch erzwungene Schwingungen oder durch Resonanzschwingungen eines Feder-Massen-Schwingungssystems
erzeugt. Die Betriebs- oder Arbeitsfrequenz vieler dieser Schwinger, namentlich
solcher größerer Maschinen und Geräte, liegen im Bereich zwischen 10 und 100 Hz.
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Es sind auch mechanische Arbeit leistende Resonanzschwinger mit sehr
hoher Frequenz, die sogenanrtten Ultraschallschwinger, bekanntgeworden.
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In den meisten Fällen geben die Schwinger eine Arbeit dadurch ab,
daß ein schwingender (Masse-) Teil des Schwingungssystems gegen das zu bearbeitende
oder zu befördernde Material stößt oder drückt. In manchen Sonderfällen wird auch
die Arbeit dem Schwinger dadurch entnommen, daß die Zugphase des Schwingers ausgenützt
wird, wenn z. B. Rüttelbären (Vibrations-Rammbären) zum Ausziehen von Spundbohlen
od. dgl. verwendet werden, d. h., die statische Zugbelastung der Zieheinrichtung
wird durch die schwellenden Kräfte des Schwingers in Zugrichtung überlagert.
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Es sind auch Schwinger bekanntgeworden, deren Aufgabe es ist, in erster
Linie schwingende Kräfte zu erzeugen, z. B. bei Dauerprüfmaschinen, welchen außer
der Deckung der Verlustarbeit nur im Falle einer Zerstörung des Versuchsobjektes
eine echte, aber verhältnismäßig kleine mechanische Arbeit abverlangt wird.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb von Schwingungserzeugern bekannt,
bei dem der Erregerstrom des Schwingungserzeugers während des Betriebes in solchen,
nach Maßgabe der Abstimmung bemessenen Zeitabständen wiederholt ein- und ausgeschaltet
wird, so daß die Schwingungsamplitude während einer jeden Einschaltzeit auf Werte
kommt, die größer sind als ihr Betriebswert im Dauerzustand.
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Weiterhin ist eine Schwinganordnung zur Förderung von Schüttgut bekannt,
bei der der Schwingantrieb für sich ein Zweimassensystem darstellt, während das
Förderelement als dritte Masse durch eine weiche Federung derart mit einer Masse
des Zweimassensystems gekoppelt ist, daß es mit einem Bruchteil der Schwingungsfrequenz
des Zweimassensystems schwingt, wobei bei dieser Teilfrequenz jeweils ein Stoß zwischen
Masse und Förderelement erfolgt.
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Es sind weiterhin elektromagnetische Vibrationsmotore aus zwei miteinander
federnd verbundenen, schwingenden Massen, von denen die eine frei schwingend angeordnet
und die andere dazu bestimmt ist, mit dem zu vibrierenden Apparat verbunden zu werden,
bekannt, wobei die Eigenschwingungszahl des kombinierten Systems mit der Wechselstromfrequenz
übereinstimmt.
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Diejenigen mechanische Arbeit leistenden Schwinger, die die Arbeit
dadurch abgeben, daß sie mit ihrem Arbeitsschwingteil, wie z. B. Sieb, Förderrinne,
Meißel, Membranen (auch Schallwäschermembranen in der Zugphase der Schwingfeder),
gegen das zu bearbeitende Material drücken oder stoßen, haben den Nachteil, daß
sie in den meisten Fällen nur mit einer beschränkten Frequenz betrieben werden können,
weil sonst bei höheren Frequenzen die Zeit zwischen den einzelnen, schnell folgenden
Amplituden bzw. die Beschleunigungskraft nicht mehr ausreicht, daß das zu bearbeitende
Material bzw. - der Arbeitsschwingteil (z. B. Stoßmeißel) einander so nahe gebracht
werden, daß ein effektvoller Stoß zustande kommt. Wenn die Arbeitsleistung des Schwingers
dadurch zustande kommt, daß während einer endlichen Zeit der Arbeitsschwingteil
eine Kraft gegen einen äußeren Widerstand auf einer gewissen Wegstrecke ausführt,
so muß dazu in hinreichendem Maße die Möglichkeit gegeben sein.
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Ist z. B. die Frequenz des Schwingers im Verhältnis zur Beschleunigungskraft,
welche Arbeitsschwingteil und das zu bearbeitende Material einander näher bringt,
ungünstig, d. h. die Schwingungen zu schnell und die Beschleunigungen zu klein,
so ist leicht einzusehen, daß der Arbeitsschwingteil im Zeitpunkt seiner äußeren
Umkehr bei Amplitudenmaxima oder eine unendlich kleine Zeitspanne bzw. Wegstrecke
vorher das zu bearbeitende Material gerade noch berührt bzw. anstößt, für eine Arbeitsleistung
jedoch nur noch eine unendlich kleine Wegstrecke und eine ebenfalls unendlich kleine
kinetische Energie des Arbeitsschwingteils "zur Erzeugung der arbeitsleistenden
Kraft zur Verfügung steht.
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Bei vielen Einsatzfällen von Schwingern als Arbeitsmaschine liegen
die Verhältnisse so, daß der Effekt von der Erzeugung einer großen, also wirkungsvollen
Kraft abhängt, d.-b., bevor nicht eine Kraft von einer gewissen Mindestgröße wirksam
wird, tritt überhaupt keine oder eine unverhältnismäßig kleine Wirkung ein. Wenn
nun die Erzeugung einer Kraft durch die Beschleunigung einer Masse gegeben ist,
so ist die (negative) Beschleunigung des Arbeitsschwingteils und damit die von diesem
ausgeübte arbeitsleistende Kraft größer, wenn die Masse des Arbeitsschwingteils
mit großer Geschwindigkeit gegen den kraft- und arbeitsleistunbfordernden Widerstand
auftritt, als wenn die Geschwindigkeit kleiner ist.
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Aus verschiedenen Gründen ist es erstrebenswert, die Frequenzen
zu steigern, z. B. wegen der Maschinengröße. Wie im übrigen Maschinenbau
werden die Abmessungen auch einer schwingungstechnischen Arbeitsmaschine um so kleiner,
je höher die sekundliche Hubzahl, die Frequenz, d. h. die Eigenschnelle gewählt
wird.
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Weiter wäre es aus praktischen Gründen oft vorteilhaft, schwingungstechnische
Arbeitsmaschinen mit höheren Frequenzen zu betreiben, dann z. B., wenn bestimmte
Teile innerhalb oder außerhalb der Maschine in der Eigenfrequenz erregt werden sollen
und deren Abmessungen so sind, daß sie mit beispielsweise zehnmal höherer Frequenz
als der Netzfrequenz erregt werden müssen. Will man an dem mit hoher Frequenz betriebenen
Arbeitsschwingteil eine hohe Geschwindigkeit zur Krafterzeugung abgreifen, so muß
man eine sehr große Nachstellbeschleunigungskraft aufwenden, eine Kraft, die in
der Praxis oft nicht oder nur sehr schwer zu realisieren ist.
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Der Nachteil einer zu großen Kraftentnahme, und dies auch noch auf
einem verhältnismäßig großen Weg, würde unter Umständen bedeuten, daß die Erregerleistung
annähernd gleich der inneren Schwingerleistung und diese wieder annähernd gleich
der abgegebenen Leistung wäre; dies würde, namentlich bei hohen Frequenzen, eine
sehr hohe Leistung bedeuten. Durch dieses Verhältnis von Wirkleistung zu innerlich
kreisender Blindleistung wäre auch ein wesentliches Charakteristikum des wirklichen
(Feder-Masse-)Schwingers
verloren, bei welchem die innere Blindleistung
ein Vielfaches von der Wirkleistung ist oder sein soll.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Arbeitsschwinger zu entwickeln,
bei dem die Schwingungen eines hochfrequent schwingenden Arbeitsgliedes derart beeinflußt
werden, daß die Umkehrpunkte der Arbeit abgebenden Amplituden gegen die der nicht
Arbeit abgebenden Amplitude versetzt sind und dessen schwingendes Arbeitsglied in
dem Zeitpunkt, in dem die kinetische Energie, d. h. die Geschwindigkeit noch relativ
groß ist, auf das zu bearbeitende Material einwirkt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Schwinggerät
aus zwei oder mehreren, durch eine oder mehrere Koppelfedern miteinander gekoppelten
schwingfähigen Feder-Masse-Systemen besteht, die durch Erreger gleicher oder unterschiedlicher
Frequenz angetrieben werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsmöglichkeit der Erfindung besteht
darin, daß als Koppelfeder eine in Längsrichtung schwingfähige, vorzugsweise aus
hochvergütetem Stahl bestehende Rohr- bzw. Stabfeder vorgesehen ist bzw. daß die
Energie speichernde Feder mindestens eines Schwingsystems als in Längsrichtung schwingfähige,
vorzugsweise aus hochvergütetem Stahl bestehende Rohr- bzw. Stabfeder ausgebildet
ist.
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Weiterhin ist für die Veränderung der Amplitude der Leerschwingungen
eine Vorrichtung zur Veränderung der Erregerfrequenz vorgesehen.
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Nach einem weiteren Merkmal ist für die Veränderung der Amplitude
der Arbeitsschwingungen eine Vorrichtung zur Veränderung der Erregerleistung mindestens
-eines der mit dem Werkzeug gekoppelten Schwingsysteme vorgesehen.
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Die Erfindung wird in folgendem beispielsweise näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch einen mechanischen Schwinger,
F i g. 2, 3 und 4 einige seiner möglichen Schwingformen, F i g. 5 einen weiteren
Schwinger im kleineren Maßstab und F i g. 6 dessen Schwingform.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen von Hand gehaltene Arbeitsgeräte,
bei denen vorzugsweise die Erfindung zur Anwendung kommen kann.
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In F i g. 1 ist eine einfache Form eines solchen Handgerätes zu sehen.
Der Meißel t ist mit der Masse 2 verbunden. Zwischen den beiden Schwingmassen 2
und 3 befindet sich eine Feder 4, die in der Mitte an einer Platte 5 in Gummifedern
6 und 7 befestigt ist. Das Erregergerät 8 ist am Gehäuse 9 fest angebracht und erregt
die Masse 3. Diese Schwingeinheit wird von Federn 10 und 11, die an der Platte 5
und dem Gehäuse 9 befestigt sind, gehalten. Ein zweites Erregergerät 12 ist unterhalb
der Platte 5 fest am Gehäuse 9 angebracht.
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Das Erregergerät 8 würde den Schwinger, wenn die Federn 10 und 11
durch starre Verbindungen ersetzt sein würden, zu Schwingungen nach F i g. 2 erregen.
Die an den Federn 10 und 11 aufgehängte Schwingeinheit kann durch das Erregergerät
12 periodische Stöße erhalten, so daß die Schwingungen nach F i g. 3 entstehen.
Versetzt das Erregergerät 12 die Federn 10 und 1l. in niederfrequente Schwingungen,
so erhält man die Schwingungsform nach F i g. 4.
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Das Gerät nach F i g. 5 ist als Koppelschwinger ausgebildet. Das eine
Schwingsystem besteht aus Feder 13 und Masse 14 und das andere aus Feder 15 und
Masse 16. Eine Kopplungsfeder 17 sorgt für eine sogenannte lose Kopplung.
Die Federn 13 und 15 sind mit dem Innengehäuse 18 verbunden, an welchem das Werkzeug
19, z. B. ein Meißel, befestigt ist. Die beiden Schwingungssysteme 13-14 und 15-16
von verschiedener Frequenz haben je einen eigenen elektrodynamischen Erreger 20
und 21, die am Gehäuse 22 befestigt sind. Das Innengehäuse 18 wird von einem Außengehäuse
22 umgeben und in diesem Außengehäuse 22 von den Gummifedern 23 und 24 gehalten.
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Die Schwingungssysteme 13-14 und 15-16 versetzen das Innengehäuse
18 in Schwingungen. Das Innengehäuse 18 schwingt in den Gummifedern 23 und 24 in
der Form nach F i g. 6.
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In den F i g. 2, 3, 4 und 6 sind jeweils die Auftreffpunkte 25 und
25' eingetragen, wobei angenommen wurde, daß das Material und der Schwinger sich
unter Erdbeschleunigung nähern und der Ausgangspunkt jeweils der vorausgegangene
Auftreffpunkt 25 ist. Die gestrichelte Linie 26 stellt die theoretische Form der
Annäherungskurve dar. In der Praxis wird die Annäherung nach der Kurve 27 verlaufen,
da sich Schwinger und Material beim Auftreffen abstoßen, aber nachher eine größere
Zustellbeschleunigung haben.
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Ein Vergleich der Auftreffpunkte 25' in den F i g. 2, 3, 4 und 6 zeigt,
daß in F i g. 3, 4 und 6 die Auftreffgeschwindigkeit des Arbeitsgliedes und damit
die kinetische Energie, die quadratisch mit der Geschwindigkeit ansteigt, wesentlich
größer ist.
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Um bei hohen Frequenzen dem Arbeitsschwingteil Arbeit mit hohen Kraftspitzen
entnehmen zu können, ist durch die Erfindung die Voraussetzung dadurch geschaffen,
daß der Auftreffzeit-(bzw. -weg-)Punkt zwischen Arbeitsschwingteil und dem zu bearbeitenden
Material oder Objekt durch Beeinflussung der Schwingkurvenform so gelegt ist, daß
das Zusammentreffen in einem Zeit- bzw. Schwingausschlagpunkt erfolgt, in welchem
der kinetische Arbeitsinhalt, d. h. die Geschwindigkeit des Arbeitsschwingteils,
noch relativ groß ist.
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Weil das Hinderliche am »Abgreifen« einer hohen Geschwindigkeit, d.
h. einer hohen kinetischen Energie des Arbeitsschwingteils, der kleine Zeitabstand
zwischen der aktiven (Stoß-)Amplitude und der unmittelbar vorhergehenden Schwingamplitude
ist (siehe F i g. 2) sollen mehrere Umkehrpunkte der vorhergehenden Amplitude des
Schwingers zurückgesetzt werden (siehe F i g. 3, 4 und 6), so daß Gelegenheit gegeben
ist, in einem größeren Zeitraum Arbeitsschwingteil und zu bearbeitendes Material
oder Objekt einander näherzubringen, als dies möglich wäre, wenn die Schwingungsumkehrpunkte
(Amplitudenmaxima) alle auf »gleicher Höhe« wären. Die Hüll-Linien 28 der Schwingungsamplituden
sind dann keine Geraden, sondern Kurven. Die obere und untere Hüllkurve der Schwingungsamplituden
können parallel oder divergierend-konvergierend sein. Dadurch wird erreicht, daß
bei gleicher Kraft, welche die zusammenführende Beschleunigung zwischen Arbeitsschwingteil
und zu bearbeitendem Material oder Objekt ausübt, der Auftreffpunkt (Pfeil) »tiefer«
in der Sinusschwingung anliegt.
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Es kann somit sowohl eine große Kraft als auch ein relativ großer
Weg, also eine große Arbeit entnommen
werden, ohne daß dabei die
Schwingungen zusammenbrechen müßten, denn in den vorangegangenen Schwingungen war
Gelegenheit gegeben, das Schwingungssystem mit Energie aufzuladen.
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Die Krümmung der Hüllkurven, welche beliebige Formen haben können,
also nicht einer Sinusfunktion folgen müssen, kann in der Praxis erfindungsgemäß
- wie bereits dargelegt - durch verschiedene Maßnahmen geschehen. Durch überlagerung
als Schwebung oder durch Erregungsänderung als Modulation kann der Schwingungsverlauf
bzw. die Hüllkurve erzeugt werden.
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Wird z. B. das arbeitsleistende Schwingungssystem mit einem zweiten
Schwingungssystem (siehe F i g. 1) verbunden, dessen Frequenz wesentlich niedriger
(z. B. 1: 10) ist als die Frequenz des Arbeitsschwingers, so werden die Sinusschwingungskurven
des Arbeitsschwingers die Form nach F i g. 4 haben.
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Die Kurven, d. h. der Schwingungsverlauf nach F i g. 6 kann erreicht
werden durch Modulierung der Erregungsintensität, indem z. B. der Erregerstrom der
Magnetspule auf- und abschwellend zugeführt wird.
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Die periodische Erregungs-Antriebs-Intensivierung kann auch dadurch
erfolgen, daß die elektrische Erregerfrequenz kleiner oder größer ist als die Eigenfrequenz
des mechanischen Schwingsystems, so daß durch »Überholen« (oder »Unterholen«) der
beiden verschiedenen Frequenzen bei annähernder Deckungsgleichheit der Erreger-
und Schwingeramplituden (Resonanz) ein kurzzeitiges Aufschaukeln des mechanischen
Schwingsystems erfolgt.
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Die Kurvenform nach F i g. 6 kann erfindungsgemäß aber auch dadurch
erzeugt werden, daß zwei Schwingsysteme (das Arbeitsschwingsystem in beliebigem
Verhältnis aufgeteilt, z. B. halbiert), deren Eigen- und Erregerfrequenz um einen
kleinen Betrag, z. B. wie 9: 10 oder 6: 10 verschieden sind, parallel/hintereinander
oder sonstwie mechanisch so zusammengekuppelt sind, daß durch die Schwebungserscheinung
der sich »überholenden« Schwingungen am Arbeitsschwingteil die Schwingungen nach
F i g. 6 auftreten (siehe auch F i g. 5).