DE19546310A1 - Vibrationsgeminderter Linearschwingschleifer - Google Patents
Vibrationsgeminderter LinearschwingschleiferInfo
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- B24—GRINDING; POLISHING
- B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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Description
Die Erfindung betrifft eine vibrationsgeminderte, vorzugsweise handgeführte Schleifeinrich
tung zum Schleifen von ebenen und profilierten Oberflächen. Sie besitzt zwei aktive, nahezu
massengleiche Schleifkörper, deren harmonische Bewegung jeweils in entgegengesetzter Rich
tung erfolgt, wobei die Krafteinleitung weitgehend symmetrisch ist. Die zum Abbremsen der
Schleifkörper erforderliche Energie wird in Federn gespeichert und nach erfolgtem Stillstand
wieder zur Beschleunigung der Schleifkörper genutzt.
Schleifvorrichtungen mit zwei entgegengesetzt bewegten Schleifkörpern sind zwar schon als
Maschinenkomponenten bereits prinzipiell bekannt /Gabbiani/, jedoch ist ihre Bauweise infolge
des gewählten Antriebssystems so kompakt und schwer daß sich das verwendete Konstrukti
onsprinzip nicht für handgeführte Maschinen verwendbar ist. Die Schleifkörper sind auf jeweils
einem Drehhebelsystem gelagert und werden durch Kurbelschwingen angetrieben. Dabei füh
ren sie neben der erwünschten Längsbewegung noch eine unerwünschte Radialbewegung senk
recht zu der zu schleifenden Oberfläche aus.
Handgeführte handelsübliche Schwingschleifer hingegen führen eine kreisende Bewegung aus,
wodurch das Schleifkorn eine Zykloide beschreibt, wenn der Schwingschleifer über die Ober
fläche geführt wird. Daraus resultiert ein spezielles Schleifbild auf der bearbeiteten Oberfläche,
das nicht immer den gewünschten Anforderungen genügt. Nachteilig dabei ist, daß ausgebro
chene Schleifkörner besonders gut sichtbare Bearbeitungsspuren hinterlassen, da sich deren
Richtung ständig ändert. Ein weiterer Nachteil der aus der kreisförmigen Schleifbewegung re
sultiert ist, daß keine profilierten Oberflächen geschliffen werden können. Dieser Nachteil kann
durch eine ideale geradlinige Schleifbewegung vermieden werden.
Infolge des Wirkprinzips herkömmlicher Schwingschleifer entstehen starken Vibrationen
hauptsächlich dadurch, da die aus der Schleifbewegung resultierenden Massenkräfte nicht wir
kungsvoll kompensiert werden können. Als Ausgleichsmassen stehen lediglich die Masse von
Motor, Gehäuse und Getriebe des Schwingschleifers zur Verfügung.
Die Verwendung eines zweiten, mit entgegengesetzt wirkender Schleifrichtung bewegten
Schleifkörpers zum Massenausgleich, ist prinzipiell eine bereits bekannte sehr gute Lösung. Die
Wirkung an Schwingschleifeinrichtungen konnte bislang nur mit mäßigem Erfolg realisiert wer
den, weil die Krafteinleitung auf beide Schleifkörper, beispielsweise mittels einer Kurbelwelle,
nicht in einer Ebene erfolgt. Dadurch werden erhebliche Kippmomente verursacht, die sich als
Schwingungen bzw. Vibrationen darstellen.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Linearschwingschleifer ist, daß die harmonische
Schwinggeschwindigkeit der Schleifkörper jeweils am Ende des Schwingweges auf die Ge
schwindigkeit v = 0 abgebremst werden muß. Die hierfür erforderliche Energie kann beispiels
weise bei einem Kurbelantrieb, nicht mehr dem System zur erneuten Beschleunigung der Line
ar-Schleifkörper zur Verfügung gestellt werden.
Ausgehend von diesem Stande der Technik ist es daher die Aufgabe der Erfindung, die aufge
führten Nachteile herkömmlicher Schwingschleifer, wie Energieverluste und insbesondere
schädliche Vibrationen zu vermeiden.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung nä
her erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit linearer
Schwingbewegung bei weitgehender Vermeidung von Vibrationen;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 zeigt das Abrollen der Sinoide auf den Kugellagern der Schwingschleifkörper in
verschiedenen charakteristischen Stellungen;
Fig. 4 zeigt, daß die Berührung zwischen Sinoide und den Kugellagern in einem sich in
einem von der Winkelstellung der Sinoide abhängigen Abstand erfolgt.
Fig. 5 zeigt den Abstand der Bahnkurve des Berührungspunktes von der Mittellinie;
Fig. 6 zeigt den Verschiebeweg eines Schwingschleifkörpers in Abhängigkeit von der
Winkelstellung der Sinoide;
Fig. 7 die erforderliche Federkonstante in Abhängigkeit von der Systemeigenfrequenz;
Fig. 8 zeigt die Federkraft in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Synoide;
Fig. 9 zeigt den für das Drehmoment zugrunde legenden Abstand (a) des
Berührungspunktes in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Sinoide und
Fig. 10 zeigt das erforderliche Drehmoment in Abhängigkeit von der Winkelstellung der
Sinoide für einen langsamen Anlauf.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Einlei
tung der Antriebskraft für zwei, sich mit entgegengesetzter Schleifrichtung bewegenden linear
geführten Schwingschleifkörper (1) weitgehend symmetrisch erfolgt (Fig. 1).
Der Schwingschleifer besteht aus einem linear geführten und federbelasteten 2-Massesystem,
das vorzugsweise von einer rotierenden Kurvenscheibe (2), vorzugsweise einer Sinoide, in Be
wegung gesetzt wird. Die Sinoide rollt auf Kugellagern (3) ab, die mit den schwingenden Mas
sen (1) fest verbunden sind. Durch die Rotationsbewegung der Synoide werden die beiden
Massen nach außen verschoben (Fig. 2). Dadurch werden Federn (4) zusammengedrückt. So
wird die kinetische Bewegungsenergie des schwingenden Schleifkörpers in potentielle Energie
der Feder umgewandelt, die wiederum nach Erreichen des Umkehrpunktes zur Beschleunigung
des Schleifkörpers dient. Dadurch kann die Energie zum Abbremsen des Schleifkörpers bis auf
wenige Hystereseverluste genutzt werden. Durch Verwendung des Boxerprinzips und den völ
lig symmetrischen Aufbau des schwingenden Feder-Masse-Systems erfolgt ein nahezu idealer
Krafteausgleich, was zu einer hohen Laufruhe des Systems führt. Ist das System einmal in Be
wegung, entnimmt es nur die Energie, die Schleifprozeß und innere Reibungseffekte erfordern.
Der Schwingschleifer muß unterhalb seiner ersten Eigenfrequenz betrieben werden, damit Si
noide und Kugellager immer anliegen. Das schwingungsfähige System wird wegerregt. Somit
ergibt sich ein denkbar einfaches Antriebssystem.
Mit einer Umdrehung der Kurvenscheibe (Sinoide) werden von jedem Schleifkörper zwei
Schwingungsbewegungen ausgeführt. Der Schwingweg (x) gehorcht dabei in Abhängigkeit
von der Zeit (t) einer Sinusfunktion,
x = XA sin (ωt) (1)
dabei bedeuten:
XA: Amplitude der Schwingung
ω: Kreisfrequenz ω2 π f; f= Frequenz der Schwingung und die Schwinggeschwindigkeit einer Cosinusfunktion
ω: Kreisfrequenz ω2 π f; f= Frequenz der Schwingung und die Schwinggeschwindigkeit einer Cosinusfunktion
vc = (ω) XA cos (ωt) (2)
für die Beschleunigung (bc) gilt:
bc = (ω²) XA sin (ωt) (3)
Bei einer angenommenen Schwingfrequenz von f= 50 Hz und einer Amplitude von XA=5 mm
ergibt sich eine effektive Schnittgeschwindigkeit von etwa 1 m/s und eine mittlere Beschleuni
gung von bc = 345 m/s². Die Masse eines Schwingschleifkörpers von beispielsweise m = 1 kg
wird bei dieser Beschleunigung mit einer Kraft von F = 345 N × sin (ωt) belastet, wobei die
Funktion sin (ωt) zwischen den Werten 0 und 1 wechselt.
Der Berührungspunkt (Fig. 4) von Synoide und Kugellager liegt nur in der 0°- und
90°-Stellung auf den Mittellinien von Synoide und Kugellager. Außerhalb dieser Stellungen
beschreibt der Berührungspunkt eine Bahnkurve (Fig. 6). Die Y-Position der Bahnkurve be
stimmt das Drehmoment mit, das der Motor aufzubringen hat und ist deshalb eine wichtige
Größe. Diese Bahnkurve muß für jede Kurvenscheibe neu bestimmt werden. Der Verschiebe
weg selbst gehorcht einer Sinusfunktion (Fig. 7), da der Radius der Sinoide in Abhängigkeit
von Winkelstellung (Φ) dieser Kurvenscheibe ebenfalls einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion
gehorcht.
Die Eigenfrequenz des Systems spielt eine wichtige Rolle. So lange die Eigenfrequenz größer
als die Antriebsfrequenz ist, liegt der Schwingschleifkörper mit seinem Kugellager an der Si
noide an, das System funktioniert ordnungsgemäß. Ist jedoch die Antriebsfrequenz größer als
die Eigenfrequenz, dreht sich die Sinoide schneller weg, als der Schwingschleifkörper folgen
kann. Dadurch entsteht ein Spalt zwischen Sinoide und Kugellager. Während die Sinoide nach
Durchlaufen des Minimalabstandes den Schwingschleifkörper wieder nach außen schieben will,
prallt dieser mit seinem Kugellager auf die Sinoide, wodurch die Lager zerstört oder zumindest
übermäßig stark belastet werden, wodurch ihre Lebensdauer erheblich abnimmt.
Die Eigenfrequenz (ωE) eines schwingungsfähigen Systems ergibt sich aus
ωE = (c/m)-1/2 (4)
mit
ωE = 2 π fE (5)
gilt für die Federkonstante (c):
c = 4 π²fE²m (6)
Bei einem Gewicht von m = 1 kg je Schwingermasse und einer zu erreichenden Systemeigen
frequenz von fE = 50 Hz ist eine Federkonstante von c = 100 N/mm erforderlich, damit Sinoide
und Kugellager immer anliegen.
Bei der im Beispiel gewählten Federkonstante c = 100 N/mm ergibt sich in Abhängigkeit von
der Winkelstellung folgender Kraftverlauf (Fig. 9). Hinzu kommt noch der drehwinkelabhängi
ge Anteil aus der Beschleunigung. Da der Motor jedoch mit langsamer Drehzahl hochfährt, ist
dieser Anteil zunächst sehr klein und vernachlässigbar. Im eingeschwungenem Zustand jedoch
pendelt dieser Energieanteil zwischen kinetischer Energie der Schwingermasse, potentieller
Energie der Feder und rotatorischer Energie der drehenden Elemente. Dieser pendelnde Ener
gieanteil muß nicht vom Motor aufgebracht werden. Die rotierende Massen des Ankers, der
Motorwelle und der Kurvenscheibe speichern Rotationsenergie, die für die momentane Be
schleunigung des Schwingschleifkörpers aus dem Stillstand im Bereich des kleinsten Hubes ge
nutzt werden kann.
Der für das Drehmoment verantwortliche Abstand (a) zeigt die in Fig. 10 dargestellte Abhän
gigkeit von der Winkelstellung der Kurvenscheibe (Sinoide). In den Grenzstellungen 0° und
90° ist der Abstand a = 0 mm, d. h. in diesen Stellungen ist auch das Drehmoment M = 0. Das
Drehmoment zeigt die in Fig. 11 dargestellte Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurven
scheibe. Der Mittelwert des Drehmomentes liegt im speziellen Fall etwa bei M = 0,3 Nm. Da
das System aus zwei Schwingern besteht und symmetrisch aufgebaut ist, muß vom Motor für
das Zusammendrücken der Federn insgesamt ein mittleres Drehmoment von Mges = 0,6 Nm
aufgebracht werden. Das im Beispiel ermittelte Drehmoment wird benötigt, um während des
Anlaufvorganges die Feder einmalig zu spannen. Es muß vom Motor während des Stillstandes
aufgebracht werden können.
für folgende Randbedingungen:
Federkonstante c = 100 N / mm,
Schwingermasse m = 1 kg,
Schwingfrequenz f = 50 Hz,
Hub h = 5 mm (Doppelhub)
ergibt sich eine Antriebsleistung von:
Federkonstante c = 100 N / mm,
Schwingermasse m = 1 kg,
Schwingfrequenz f = 50 Hz,
Hub h = 5 mm (Doppelhub)
ergibt sich eine Antriebsleistung von:
PA = Mω = 0,6 Nm 2 π 50(1/s) = 188, 5 Nm/s = 189 Watt
Sie steht nach dem Anlaufvorgang für den Zerspanungsvorgang "Schleifen" zur Verfügung.
Die benötigte Antriebsleistung für einen Linearschwinger ist relativ gering. Ist der Motor in der
Lage, ein doppelt so hohes Drehmoment aufzubringen, könnte bei Halbierung der bewegten
Masse (von m = 1 kg auf m = 0,5 kg) die Federkonstante und damit auch die Frequenz verdop
pelt werden. Die Federvorspannung ist so hoch wie nötig, aber so gering wie möglich zu wäh
len. Sie vergrößert direkt das erforderliche Antriebsmoment des Motors. Eine bestimmte Fe
dervorspannung ist erforderlich, um eine Rückkraft für den Zerspanungsvorgang und das Be
schleunigen der bewegten Schleifkörper zu erhalten d. h. damit der Kontakt von Sinoide und
Kugellager auch im Rückgang bestehen bleibt. Die Wahl der Vorspannung wird günstigerweise
experimentell bestimmt.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Linearschwingschleifen ebener und profilierter Flächen, bestehend aus zwei
schwingungsfähigen, entgegengesetzt wirkenden, linear geführten und weggesteuerten Feder-
Massesystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsteuerung der Schleifkörper (1) mittels
einer einzigen rotierenden Kurvenscheibe (2) erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Kurvenscheibe in
Abhängigkeit vom Drehwinkel etwa einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt von Kurvenscheibe
(2) und Schleifkörper (1) auf der Umfangsfläche der Kurvenscheibe erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt von Kurvenscheibe
(2) und Schleifkörper (1) auf der Planfläche der Kurvenscheibe, vorzugsweise in einer geeignet
gestalteten Ausnehmung (beispielsweise innerhalb einer Nut) erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsteuerung durch die Kur
venscheibe (2) über Kugel-, Rollen- bzw. Gleitlager (3) oder ähnlich wirkende, die Reibung
vermindernde Elemente erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schwingschleifkörper (1)
jeweils gegen eine oder mehrere Druckfedern (4) abstützen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingschleifkörper jeweils
von einer oder mehreren Zugfedern gegen die Kurvenscheibe gezogen werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingschleifkörper sich
in einer gemeinsamen Ebene bewegen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingschleifkörper durch
Linearführungen (5) oder ähnliche wirkende Maschinenkomponenten geführt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995146310 DE19546310A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Vibrationsgeminderter Linearschwingschleifer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995146310 DE19546310A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Vibrationsgeminderter Linearschwingschleifer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19546310A1 true DE19546310A1 (de) | 1997-06-19 |
Family
ID=7779872
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995146310 Ceased DE19546310A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Vibrationsgeminderter Linearschwingschleifer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19546310A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE20208797U1 (de) | 2002-06-06 | 2002-10-31 | Wichert, Gerard, 47475 Kamp-Lintfort | Schleifmaschine |
DE102016223508A1 (de) * | 2016-11-28 | 2018-05-30 | Robert Bosch Gmbh | Tragbare Werkzeugmaschine |
CN112077730A (zh) * | 2020-10-20 | 2020-12-15 | 河南科技大学 | 超精研加工用四轮驱动小幅高频直线振荡装置及使用方法 |
-
1995
- 1995-12-12 DE DE1995146310 patent/DE19546310A1/de not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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ON | Later submitted papers | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ROBERT BOSCH GMBH, 70469 STUTTGART, DE |
|
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: TROEGER, JOHANNES. DR.-ING.HABIL, 71229 LEONBERG, D |
|
8131 | Rejection |