DE202005004393U1

DE202005004393U1 - Regelexzenter

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Publication number: DE202005004393U1
Application number: DE200520004393
Authority: DE
Original assignee: F & E Ingenieurgmbh fur Energ; F and E Ingenieurgesellschaft Mbh fur Energieberatung und Festigkeitsanalyse
Current assignee: F & E Ingenieurgmbh fur Energ; F and E Ingenieurgesellschaft Mbh fur Energieberatung und Festigkeitsanalyse
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2015-03-17

Abstract

Exzenterantrieb für Kraftmaschinen oder Prüfmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter aus zwei radial übereinander liegenden Exzentern, wie Pos. 2 und 3 in 1 besteht, die relativ zueinander verdrehbar sind, so daß die wirksame Gesamtexzentrizität verstellbar ist.

Description

Stand der Technik
Bekannt sind Exzenterpulser, mit denen Bauteile oder Werkstoffproben statisch oder/und dynamisch beansprucht werden.
Solche Exzenterpulser haben den Vorteil, daß sie eine von eventuellen Nichtlinearitäten bei der Kraft-Dehnungslinie der Prüflinge unabhängige annähernd sinusförmige Verformung realisieren. Auch eventuelle Hysteresen oder Spiel bewirken keine deutlichen Oberschwingungen, wie dies bei Hydropulsern der Fall ist und zu Problemen bei der Regelung führen kann.
Vorteilhaft gegenüber sogenannten Resonanzpulsers ist vor allem, daß auch große Verformungen von mehreren Millimetern beherrschbar sind.
Nachteilig ist bei Exzenterpulsern, daß sie eine vorgegebene Verformung des Prüflings erzeugen, was unzulässg ist, wenn der Prüfling sich nach einer bestimmten Zahl von Belastungszyklen statisch oder dynamisch in seiner Steifigkeit verändert, weil dann die gewünschte Belastung nicht mehr stimmt.
Beschreibung
Bekannt ist es, mittels Exzenter Translationsbewegungen bei Kraft- und Arbeitsmaschinen zu erzeugen.
Auch bei Pulsern, d. h. Prüfeinrichtungen zum dynamischen Test von Bauteilen oder Werkstoffproben werden Exzenter eingesetzt.
Wird der Exzenterhub verstellt, kann das Hubvolumen bzw. der Weg des Exzenterpulsers verstellt werden.
Beim Einsatz eines Exzenters mit verstellbarem Hub bei Pulsern kann auf diese Weise erreicht werden, daß der Prüfling eine bestimmte vorgegebene Kraft bzw. ein vorgegebenes Moment erfährt und nicht, wie bei einem Exzenter ohne Hubverstellung, nur einen vorgegebenen Verformungsweg.
Wünschenswert ist dabei, daß der Hub ohne Abschalten verstellbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, die wirksame Kraft auf den Prüfling zu regeln, d. h., eine Veränderung der Steifigkeit des Prüflings auszugleichen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch bewerkstelligt, daß der Exzenter entspr. 1 aus zwei radial übereinander liegenden Teilen besteht, nämlich einem mit der Antriebswelle 1 fest verbundenen inneren Exzenter 2 und einem auf diesem drehbaren äußeren Exzenter 3. Je nachdem, wie diese beiden Exzenter relativ zueinander verdreht sind, ist die Gesamtexzentrizität entweder ein Maximum oder null.
Der äußere Exzenter 3 ist fest mit einem Ritzel 4 verbunden. Das Ritzel dreht sich um eine Achse, die mit der Drehachse 5, um die sich der äußere Exzenter 3 drehen kann, zusammenfällt. Diese Achse führt eine Kreisbewegung um die Achse 6 der Antriebswelle aus.
Das Ritzel 4 kämmt mit einem innen verzahnten Rad 6, dessen Wälzkreisdruchmesser gleich dem Hub des inneren Exzenters plus dem Wälzkreisdurchmesser des Ritzels 4 ist. Damit bleibt der Eingriff zwischen Ritzel und innenverzahntem Rad 6 erhalten, wenn sich die Antriebswelle mit dem inneren Exzenter dreht.
Die Drehachse des innenverzahnten Rades 6 fällt mit der Drehachse der Antriebswelle 1 zusammen.
Der Kreuzkopf 7 ist über seinen Bolzen 8 mit einer Pleuelstange 9 verbunden, deren großes Auge den äußeren Exzenter 3 drehbar umfasst. Der Kreuzkopf 7 ist im Gehäuse 10 translatorisch verschiebbar gelagert, während die Antriebswelle 1 im Gehäuse 10 drehbar gelagert ist. Der Kreuzkopf 7 ist mit dem Plunger 12 einer Kraft- oder Arbeitsmaschine bzw. mit der gleich gezeichneten Stange 12 verbunden, die ein Bauteil 15 belastet.
Die Antriebswelle 1 wird von einem vorzugsweise in der Drehzahl regelbaren Antriebsmotor 13 und das innenverzahnte Rad 6 von einem in der Drehzahl regelbaren Stellmotor 14 angetrieben. Ist die Drehzahl des Antriebsmotors 13 und des Stellmotors 14 gleich, führt das Ritzel relativ zum innenverzahnten Rad 6 keine Relativbewegung aus. Der Kontaktpunkt (bzw. Kontaktfläche) zwischen Ritzel und innenverzahntem Rad und damit auch der äußere Exzenter 3 vollführt deshalb dieselbe Umdrehung (Drehzahl) wie der innere Exzenter 2 und die Antriebswelle 1, d. h., der äußere Exzenter 3 dreht sich auf dem inneren Exzenter 2 nicht. Damit verändert sich die Gesamtexzentrizität nicht.
Wird die Drehzahl der Antriebswelle 1 relativ zu der Drehzahl des Stellmotors 14 und damit des innenverzahnten Rades 6 verändert, wälzt sich das Ritzel 4 im Rad 6 ab und der äußere Exzenter 3 dreht sich auf dem inneren Exzenter 2, wodurch die Gesamtexzentrizität verändert wird.
Wird diese Differenzdrehzahl geregelt über die Differenz zwischen Soll- und Isthub, bzw. Soll- und Istbelastung, kann der Weg des Plungers 12 bzw. der Stange 12 so eingeregelt werden, daß das gewünschte Hubvolumen oder die gewünschte Kraft erreicht wird.
Auf diese Weise ist nicht nur die Drehzahl bzw. Frequenz regelbar, sondern auch das Hubvolumen einer Verdrängermaschine bzw. die Belastung auf einen Prüfling 15.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Antrieb des innenverzahnten Rades 6 nicht direkt über den Stellmotor 14 erfolgt, sondern über ein zwischengeschaltetes Planetengetriebes, entsprechend 2.
Dabei führt die Antriebswelle 1 durch das aufgebohrte Ritzel zu einem mit der Welle 1 fest verbundenen Ritzel 16, das als Sonnenrad eines Planetensatzes mit den Sternrädern 17 kämmt. Der Sternträger 18 ist hier mit der Antriebswelle 19 des Stellmotors 14 fest oder über ein nicht gezeichnetes Zwischenrad bzw. Getriebe verbunden.
Der Außenläufer 20 dieses Planetensatzes ist fest verbunden mit einem baugleichen Außenläufer 21 eines zweiten Planetensatzes dessen Sternträger 22 fest mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Die Sternräder 23 dieses zweiten Planetensatzes kämmen mit einem Sonnenrad 24, das baugleich ist mit dem vorher erwähnten Sonnenrad 16. Dieses zweite Sonnenrad 24, durch das die Fortsetzung der Antriebswelle 1, die zum Sonnenrad 16 führt, hindurchgeht, ist fest mit dem innenverzahnten Rad 6 verbunden.
Ist jetzt der Stellmotor 14 in Ruhe, ist die Drehzahl des innenverzahnten Rades 4 gleich der Drehzahl der Antriebswelle 1. Dies bedeutet – wie oben ausgeführt – daß zwischen dem inneren Exzenter 2 und dem äußeren Exzenter 3 keine Relativbewegung stattfindet, d. h., daß der Gesamthub unverändert bleibt.
Es ist regelungstechnisch von Vorteil, weil nicht die Differenzdrehzahl zwischen Antriebs- und Stellmotor maßgebend ist, sondern die absolute Drehzahl des Stellmotors 14. Der Stellmotor 14 tritt nur in Aktion, wenn eine Hubverstellung notwendig ist.
Zu dieser beschriebenen Konstruktion gibt es verschiedene kinematisch gleichbedeutende Variationen, die in 1 und 2 nicht eingezeichnet sind:

a) Das Pleuel 11 kann durch einen Gleitschuh ersetzt werden, wie das bei Hydromotoren üblich ist.
b) Der Kreiskopf 7 kann entfallen, wenn das kleine Auge des Pleuels 11 (oder ein angelenkter Arm eines Gleitschuhs) direkt mit dem Prüfling 15 verbunden ist.
c) Anstelle den Sternträger 22 fest mit dem Gehäuse 10 zu verbinden und den Sternträger 18 mit der Stellmotorwelle 19, kann auch der Sternträger 18 am Gehäuse 10 fest sein und der Sternträger 22 z. B. über ein Zwischenrad verstellt werden.
d) Anstelle einen Sternträger festzuhalten und den anderen zu drehen, kann auch der Außenläufer 20 oder 21 durch den Stellmotor 14 direkt oder indirekt, d. h., über ein Zwischen-rad oder einen Planetensatz bzw. Getriebe verstellt werden.

Ist eine hohe Frequenz bzw. Antriebsdrehzahl erwünscht, ist es vorteilhaft, für einen möglichst vollständigen Massgnausgleich zu sorgen. Dies kann z. B. entsprechend 3 erreicht werden.
Dabei sind drei Exzenter 2, 2a, 2b nebeneinander angeordnet. Alle drei sind mit der Antriebswelle 1 fest verbunden. Die beiden außen liegenden 2 und 2b haben gleiche Lage relativ zur Antriebsachse, der mittlere 2b ist 180 ° versetzt dazu. Darüber liegen drei äussere Exzenter 3, 3a, 3b, für die dieselbe Lage gilt. Der Exzenter 3 ist wie bei 1 mit dem Ritzel 4 fest verbunden. Die Exzenter 3a und 3b werden z. B. über die Schlitze 5 und Stifte 6 mitgenommen.
Falls diese Exzentermaschine als Pulser Verwendung findet, ist es vorteilhaft, eine Vorlast einstellbar zu machen.
Dies wird entsprechend 4 realisiert, indem der Kreuzkopf 7 über eine Spindel 28 mit einer Baugruppe verbunden ist, die in 4 vereinfacht als Haken 29 dargestellt ist, an dem die Belastungsstange 12 befestigt ist. Ein Stellmotor 30 verdreht die Spindel 28, so daß der Abstand zwischen Kreuzkopf 7 und Stange 12 verändert werden kann. Auf diese Weise kann eine Vorlast auf den Prüfling 15 aufgebracht werden, bzw. es kann bei dynamischer Beanspruchung eine beliebige Mittelspannung eingestellt werden.
Bezüglich der Gesamtanordnung eines derartigen Exzenterpulsers ist die in 5 dargestellte Ausführung vorteilhaft. Dabei ist das Gehäuse 10 dreh- und fixierbar in zwei Platten 9 gelagert, die an zwei senkrecht dazu stehenden Platten 25 befestigt sind. Diese Platten 25 sind mit Bohrungen versehen, mittels derer sie auf eine Stange oder Rohr 26 auf und ab bewegt werden können, wobei diese Bohrungen vorzugsweise geschlitzt sind und dieser Schlitz klemmbar ist. Das Rohr 26 ist auf einer Bodenplatte 27 befestigt, die ihrerseits auf einem Fundament verschiebbar fixierbar ist.
Auf diese Weise kann die Belastungsstange 12 geschwenkt, gedreht und verschoben werden, so daß die verschiedensten Kraftwirkungsrichtungen auf ein zu belastendes Bauteil realisiert werden können.

Claims

Exzenterantrieb für Kraftmaschinen oder Prüfmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter aus zwei radial übereinander liegenden Exzentern, wie Pos. 2 und 3 in 1 besteht, die relativ zueinander verdrehbar sind, so daß die wirksame Gesamtexzentrizität verstellbar ist.
Exzenterantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Exzenter (Pos. 3 in 1) fest mit einem Ritzel (Pos. 4 in 1) verbunden ist, wobei dieses Ritzel so angeordnet ist, daß dessen Achse mit der Achse zusammenfällt, um die der äußere Exzenter (Pos. 3 in 1) dreht und mit einem innen verzahnten Rad (Pos. 6 in 1) kämmt und dieses Rad (Pos. 6 in 1) von einem Stellmotor (Pos. 14 in 1) um eine Achse gedreht wird, die mit der Achse der Welle (Pos. 1 in 1), die mit dem inneren Exzenter (Pos. 2 in 1) verbunden ist, zusammenfällt, so daß eine Differenzdrehzahl zwischen dem Exzenterantriebsmotor (Pos. 13 in 1) und dem Stellmotor (Pos. 14 in 1) zur Veränderung der Gesamtexzentrizität führt.
Exzenterantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innenverzahnte Rad (Pos. 6 in 1 und 2) fest mit einem hohlen Sonnenrad (Pos. 24 in 2) verbunden ist und dieses über die Sternräder (Pos. 23 in 2) und den Sternträger (Pos. 22 in 2) mit dem Außenläufer (Pos. 21 in 2) kämmt, der mit einem zweiten baugleichen Außenläufer (Pos. 20 in 2) fest verbunden ist und dieser letztere über die Sternräder (Pos. 17 in 2) und den Sternträger (Pos. 18 in 2) mit einem mit der Antriebswelle (Pos. 1 in 2) fest verbundenen Sonnenrad (Pos. 16 in 2) mit gleichem Wälzkreisdurchmesser wie das am äußeren Exzenter (Pos. 6 in 2) befestigte Sonnenrad (Pos. 24 in 2) kämmt, wobei der zweitgenannte Sternträger (Pos. 18 in 2) von einem Stellmotor (Pos. 14 in 2) verdreht werden kann, zur Veränderung der Gesamt-exzentrizität, wobei der Sternträger (Pos. 22 in 2) am Gehäuse fest sitzt.
Exzenterantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (Pos. 14 in 1 oder 2) nicht direkt, sondern über ein Zwischenrad oder ein Getriebe zur Verringerung der Drehzahl das innenverzahnte Rad (Pos. 24 in 1 oder 2) verdreht.
Exzenterantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nicht der Sternträger (Pos. 22 in 2), der nahe dem innenverzahnten Rad (Pos. 6 in 2) ist, am Gehäuse (Pos. 10 in 2) befestigt wird und der andere Sternträger (Pos. 18 in 2) verdreht wird, sondern umgekehrt.
Exzenterantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nicht ein Sternträger festgehalten (am Gehäuse) wird und der andere verdreht wird durch den Stellmotor, sondern ein Außenring festgehalten wird und der andere verstellt wird durch den Stellmotor über ein Ritzel auf dem Stellmotor und eine Außenverzahnung auf dem drehbaren Außenring bzw. einem Planetensatz, der mit dem drehbaren Außenring bzw. einem Planetensatz, der mit dem drehbaren Außenring verbunden ist, wobei die Stellmotorachse direkt oder über ein Übersetzungsgetriebe mit der Sonne dieses angebundenen Planetensatzes verbunden ist.
Exzenterantrieb nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Exzenter (Pos. 3a in 3) mit zwei links und rechts davon liegenden Exzentern (Pos. 3 und 3b in 3) dergestalt verbunden ist, daß sie dieselbe Drehung vollführen, indem z. B. der mittlere Exzenter (Pos. 3a in 3) Schlitzvorsätze (Pos. 4 in 3) links und rechts aufweist und diese mit Stiften (Pos. 5 in 3) kämmen, die in dem danebenliegenden äußeren Exzenter (Pos. 3a und 3b) stecken, so daß durch Gegengewichte an den außen liegenden Exzentern ein vollständiger Massenausgleich möglich ist.
Exzenterantrieb nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuzkopf (Pos. 7 in 4) mittels einer von einem Stellmotor (Pos. 4 in 4) betätigten Spindel mit einer Gabel (Pos. 29 in 4) mit veränderbarem Abstand verbunden ist und diese Gabel mit dem Belastungsbolzen (Pos. 12 in 4) verbunden ist, so daß der Prüfling (Pos. 15 in 4) eine einstellbare Vorlast bzw. Mittelspannung erfährt.
Exzenterantrieb nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (Pos. 10 in 2) kreuzförmig gestaltet ist und fixier- und drehbar in zwei parallelen Platten (Pos. 9 in 5) gelagert ist, wobei diese Platten über zwei dazwischen befestigten gelochten Platten (Pos. 25 in 5) auf einer Stange oder einem Rohr (Pos. 26 in 5) gedreht fixiert und auf- und abbewegt werden können, so daß die Belastungsstange (Pos. 12 in 5) in vielfältigen Richtungen ausgerichtet werden kann, die der gewünschten Belastungsrichtung auf den Prüfling entsprechen.