DE2829587A1

DE2829587A1 - Antriebsvorrichtung zur erzeugung einer elliptischen schwingbewegung

Info

Publication number: DE2829587A1
Application number: DE19782829587
Authority: DE
Inventors: Eric Rolf Ericsson; Hans-Henrik Burton Dipl Wallin
Original assignee: Morgardshammar AB
Current assignee: Morgardshammar AB
Priority date: 1977-07-13
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1979-01-25
Also published as: NL7807123A; US4212731A; NO145421C; FI782191A; SE7708140L; FR2397237A1; DK294778A; FI64299B; DK147479B; NL183873C; NO782425L; ATA489378A; GB2001732A; FR2397237B1; DE2829587B2; NL183873B; GB2001732B; AT359008B; CA1081999A; DK147479C

Description

MORGARDSHAMMAR AKTIEBOLAG, S-777 00 Smedjebacken/SCHWEDEN

Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer elliptischen

S chwingbewegung

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Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer elliptischen

S chwingbewegun g

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mechanismus zur Erzeugung einer Rüttel- oder Schwingbewegung des zum Antrieb von Sieben, Transporttischen und gewissen Fördervorrichtungen beispielsweise erforderlichen Typs.

Wenn man von der Einrichtung mechanischer Führungsbewegungen mit Gelenken und exzentrischen Mitteln absieht, gibt es im wesentlichen zwei bekannte Typen von Antriebsmechanismen zur Erzeugung der Art von Hin- und Herbewegung, die in Installationen dieses Typs erforderlich sind. Eine Vorrichtung, welche seit langem bekannt ist, basiert auf zwei identischen schweren Unwuchträdern mit parallelen Achsen. Die beiden Räder sind drehbar an der Einheit befestigt, welche in Schwingbewegung versetzt werden soll und welche daher an Federn oder dergleichen aufgehängt ist. Die Räder v/erden in entgegengesetzte Richtung von gesonderten Elektromotoren vorzugsweise des Asynchrontyps angetrieben. Es ist bekannt, daß die beiden schweren Unwuchträder aufeinander derart einwirken, daß die Drehbewegungen synchron zueinander werden und eine lineare periodische Antriebskraft erzeugt wird, welche entlang der Mittelpunkt-Normalen zwischen den Drehachsen der beiden Unwuchträder wirkt.

Es wurden auch Unwuchtgewichte verwendet, um eine elliptische Bewegung zu erzeugen, welche in vielen Fällen einer linearen Rüttelbewegung vorzuziehen ist. Eine bekannte Konstruktion ist in der SW-PS 365 433 der Anmelderin beschrieben. Um eine regelmäßige Drehbewegung ungleicher Unwuchtgewichte zu erzielen, wurde ein Zahngetriebe verwendet, um die Drehachsen

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der beiden Unwuchtgewichte zu kuppeln und die erforderliche Synchronisation zu erreichen. Wenngleich das Getriebe gemäß der genannten Patentschrift eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt, bleibt weiterhin das Problem, ein Zahngetriebe verwenden zu müssen, wodurch die schwingende Masse vergrößert wird und die Kosten vergrößert werden. Experimente haben gezeigt, daß diese Zahnräder gewisse Erfordernisse erfüllen müssen (beispielsweise ein sehr geringes Spiel), weil andernfalls Stoßkräfte in dem Getriebe auftreten können.

Es wurde ganz unerwartet gefunden, daß unter gewissen Bedingungen es möglich ist, selbst bei zwei ungleichen Unwuchtgewichten das Getriebe zu eliminieren und die Gewichte mit gesonderten Motoren anzutreiben und gleichwohl die Synchronisation zu erhalten. Diese experimentelle Tatsache wurde weiter theoretisch untersucht. Hieraus hat sich eine technische Regel darüber ergeben, wie dieser Effekt erzielt werden kann.

Das Problem zweier identischer Unwuchtgewichte, welche von gesonderten Motoren angetrieben werden, wurde behandelt von Schmidt und Peltzer in einem Artikel in "Aufbereitungs-Technik", 1976, Seiten 108 bis 114. Dieser keineswegs leicht verständliche Artikel, in welchem die Bewegungsgleichungen mit Hilfe des Hamilton-Prinzips abgeleitet werden, gibt das Ergebnis, daß erstens mit entgegengesetzten Drehrichtungen die bekannte lineare Schwingbewegung erzeugt wird und daß zweitens mit identischen Drehbewegungen eine Kreisschwingung unter gewissen Bedingungen erzeugt werden kann. Soweit wir wissen ist dies die Stelle, bis zu welcher die theoretische Arbeit über die Berechnung einer Schwingbewegung gekommen ist, welche von Unwuchtgewichten hervorgerufen wird.

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Bei der auf die Verbesserung der Konstruktion des Getriebes gerichteten Fortsetzung der Arbeit wurde errechnet, welche
Torsionskräfte in den bis jetzt in Maschinen für eine elliptische Hin- und Herbewegung verwendeten Getrieben auftreten. Es wurde unerwartet, wenngleich experimentell bestätigt, herausgefunden, daß selbst mit unterschiedlichen Größen von Unwuchtgewichten ein Synchronisiereffekt zwischen den Drehbewegungen der Massen als Ergebnis der Tatsache erzeugt werden kann, daß die Hin- und Herbewegung dazu neigt, in eine Richtung zu fallen, welche nicht nur von den Größen der Unwuchtgewichte und ihrer Wirkungsstelle bestimmt ist, sondern auch von der Position des Schwerpunktes. Durch die Lösung ergibt sich eine stabile elliptische Bewegung, deren Hauptachse durch den Schwerpunkt der oszillierenden Masse entlang einer Linie läuft, welche erstens durch die Bedingung bestimmt ist, daß die Normalen von den Drehachsen zu dieser Linie umgekehrt
proportional zu den Produkten der Größen der entsprechenden Massen und ihrer mittleren axialen Abstände ist, und zweitens durch die Bedingung bestimmt ist, daß die Linie den Winkel, dessen Scheitel am Schwerpunkt sitzt und dessen Schenkel
durch die Drehachsen laufen, halbiert. Wie unten angegeben
können diese Bedingungen mit Hilfe des Apollonischen Kreises formuliert werden.

Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer elliptischen Rüttelbewegung in einer federnd aufgehängten Vorrichtung. Diese Antriebsvorrichtung weist zwei Schwingmassen auf, die exzentrisch zu gesonderten Drehachsen derart angeordnet sind, daß sie in entgegengesetzten Richtungen drehbar sind, wobei das Produkt aus der
Masse und dem Abstand zu der entsprechenden Drehachse für
die beiden Schwingmassen unterschiedlich ist.

Die speziellen Vorteile und charakteristischen Eigenschaften

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werden gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß die beiden Schwingmassen jeweils unabhängig von der anderen drehbar angeordnet sind und mit eigenen Motoren mit derselben nominalen Drehzahl gekuppelt sind, wobei der Schwerpunkt der aufgehängten Vorrichtung derart relativ zu den beiden Drehachsen angeordnet ist, daß eine Linie durch den Schwerpunkt, welche mit der großen Achse der im wesentlichen elliptischen Rüttelbewegung zusammenfällt, eine Winkelhalbierende des Winkels ist, welcher mit seinem Scheitel im Schwerpunkt liegt und mit seinen Schenkeln durch die Drehachsen läuft, und zwischen den beiden Drehachsen derart verläuft, daß die Längen der Normalen von den Drehachsen zu dieser Linie umgekehrt proportional zu den Produkten aus der Größe der entsprechenden Schwingmasse und ihrem mittleren Abstand zu der entsprechenden Drehachse sind.

Dies kann in äquivalenter Weise durch die Angabe ausgedrückt werden, daß der Schwerpunkt der aufgehängten Vorrichtung auf einem Apollonischen Kreis zu den Drehachsen liegt, der derart bestimmt ist, daß das Verhältnis der Abstände von dem Schwerpunkt zu den Drehachsen umgekehrt proportional zu den Produkten aus den Gewichten der entsprechenden Schwingmasse und ihrem mittleren Abstand zu der entsprechenden Drehachse ist.

Ein geeignetes Verhältnis zwischen den Achsen in der elliptischen Oszillationsbewegung wird erhalten, wenn das Verhältnis zwischen den Produkten der Masse multipliziert mit dem axialen Abstand für die beiden Schwingmassen 2:1 beträgt.

Besonders wenn die Antriebsvorrichtung als Fördervorrichtung verwendet werden soll, jedoch auch in anderen Fällen, kann es vorteilhaft sein, die Hauptachse mit einem Winkel von 45° zu der Siebebene zu legen, was der Fall ist, wenn die Winkel-

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halbierende zwischen den Linien, durch welche der Schwerpunkt der aufgehängten Vorrichtung und die Drehachsen verbunden werden, in dieser Weise ausgerichtet ist.

Es ist ersichtlich, daß es sich im allgemeinen empfiehlt, die beiden Drehachsen in einigem Abstand von dem Schwerpunkt anzuordnen, weil der Schwerpunkt aufgrund einer variierenden Last leicht versetzt werden kann. In diesem Fall ist die Wirkung der Versetzung des Schwerpunktes auf die Größe und Richtung der Schwingbewegung minimal.

Es wird auch darauf hingewiesen, daß die beiden Drehachsen entweder oberhalb oder unterhalb des Schwerpunktes angeordnet werden können, wobei die zweckmäßige Anordnung bestimmt ist durch den Verwendungsfall, weil in gewissen Fällen es bequem sein kann, sie tief zu legen, um beispielsweise einen freien Raum oberhalb der Rüttelvorrichtung zur Verfügung zu haben, wohingegen in anderen Fällen ein Hochlegen der Drehachsen vorteilhaft sein kann.

Zusammenfassend wird somit durch die Erfindung eine Antriebsvorrichtung zum Oszillieren einer federnd aufgehängten Vorrichtung, wie ein Sieb oder eine Fördervorrichtung, in einer elliptischen Translationsbewegung mit einem minimalen Anteil an Drehung geschaffen. Zwei ungleiche und exzentrisch angeordnete Schwingmassen, welche drehbar an der Vorrichtung festgelegt sind, werden jeweils von einem Motor unabhängig voneinander drehend angetrieben. Wenn die Drehachsen für die beiden Massen in einer bestimmten Geometrie relativ zu dem Massenmittelpunkt angeordnet werden, oszilliert die Vorrichtung im wesentlichen in reiner translatorischer, elliptischer Bewegung, die frei von Kippbewegungen ist.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Konstruktion eines Siebes in der Seitenansicht,

Fig. 2 dasselbe Sieb von oben,

Fig. 2 A eine Schwingmasse im Schnitt und

Fig. 3 bis 6 geometrische Schaubilder, durch welche die Grundprinzipien der Erfindung erläutert werden.

Fig. 1 und 2 zeigen ein Sieb, auf welches die Merkmale der Erfindung angewendet sind. Zwei Elektromotoren 1 und 2 treiben gesonderte Schwingmassen. Die Motoren sind innerhalb staubschützender Gehäuse (Fig. 2A) untergebracht und von der Konstruktion her in zwei Teile an jeder Siebseite geteilt, wobei für den Antrieb Durchgangswellen vorgesehen sind. Die Motoren sind auf einem Bett angeordnet, welcher an der oszillierenden Bewegung des Siebes nicht teilnimmt, so daß die schwingende Masse klein gehalten wird. Zwischen den Motoren und der jeweiligen Achse der Schwingmasse ist eine flexible Wellenkupplung vorgesehen, welche vorzugsweise aus Wellen besteht, die jeweils mit zwei Universalgelenken versehen sind (nicht gezeigt). Die Motoren sind für eine Drehbewegung in entgegengesetzte Richtungen angeordnet und haben dieselbe rechnerische Drehgeschwindigkeit. Zweckmäßig sind sie übliche Kurzschluß-Asynchronmotoren. Durch ihre Kupplung über das Sieb werden sie, wenn sie beide gestartet sind, dazu gebracht, in zeitlicher Übereinstimmung miteinander zu laufen, so daß unter gewissen Bedingungen eine elliptische Drehbewegung mit Translationscharakter, die im wesentlichen frei von anderen Schwingungsarten, beispielsweise Schaukelbewegungen ist, für die gesamte federnd aufgehängte Masse erhalten wird.

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ΛΟ

Die Berechnungen, welche genau zeigen, unter welchen Bedingungen eine elliptische Bewegung erhalten wird, welche prinzipiell nicht durch andere Schwingungsarten verkompliziert ist, sind nicht weiter spezifiziert. Es reicht hier aus, die Ergebnisse zu präsentieren, nämlich daß die Hauptachse der Bewegung auf einer Linie liegen muß, zu welcher die Normalen von den beiden Drehachsen umgekehrt proportional zu den Schwingmassen multipliziert mit ihren Drehradien sind, und daß die Abstände zwischen den Fußpunkten dieser Normalen auf dieser Linie und dem Schwerpunkt dasselbe Verhältnis haben soll.

Ein intiutiver Weg der Betrachtung, daß diese Beziehungen gültig sind, besteht in der Betrachtung der Fig. 3 unter Berücksichtigung, daß die Massenkräfte für die beiden Schwingmassen proportional zu dem Produkt aus der Masse und dem Schwingungsradius für diese Massen sind. Es ist nun eine Lösung dafür zu suchen, daß die Massen sich synchron bewegen, wobei jedoch die erzeugte Bewegung sich nicht um den Schwerpunkt drehen muß. Es wird dann ersichtlich, daß dann, wenn die Massenkräfte gemeinsam wirken, die Bedingung für die Freiheit von einer Torsionskraft mit den in der Figur gegebenen Bezeichnungen m₁ r. b = m₂ r₂ d ist. Wenn außerdem eine Synchronbewegung vorausgesetzt wird, erhält man für den um 90° späteren Fall, wenn die Kräfte in den entgegengesetzten Richtungen wirken, die Bedingung m- r- a = iru r~ c, so daß de Drehmomente einander aufheben. Die verwendeten Bezeichnungen sind unmittelbar aus Fig. 3 ersichtlich.

Diese Bedingungen können in der folgenden Weise geschrieben werden:

In₁ r₁ d c

(D

nu r„ b

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/Ιή

Es wird nun auf Fig» 4 hingewiesen, welche dieselbe wie Fig. ist, jedoch durch die Entfernung der Kreise der Schwingmassen vereinfacht ist, wobei Buchstabenbezeichnungen an einigen Punkten eingesetzt sind. Es ist ersichtlich, daß die Dreiecke C P₁ A und C P_ D, welche rechtwinklig sind, auch, gemäß (1), zwei zueinander proportionale Seiten haben, so daß diese beiden Dreiecke einander ähnlich sind. Somit sind die Winkel ACP₁ und BCP₂ einander gleich, so daß die Linie durch C, P₁ und P₂ eine Winkelhalbierende ist. Ähnlich ist ersichtlich, daß die in (1) gegebene Gleichung auch zwischen den Dreieckseiten BC und AC erfüllt ist, was auch gemäß der Winkelhalbierenden-Bedingung der Fall ist.

Es kann nun das Problem angegangen werden, sämtliche Punkte C zu finden, welche (1) erfüllen, wenn die Punkte A und B gegeben sind. Dieses Problem kann formuliert werden als das Problem, alle Punkte zu finden, für welche das Verhältnis zwischen den Abständen zu zwei gegebenen Punkten konstant ist. Die Lösung dieses Problems ist als Apollonischer Kreis bekannt und ist in Fig. 6 dargestellt. Er kann konstruiert werden, indem zuerst der innere Schnittpunkt D, dessen Abstände zu den beiden Punkten A und B das gegebene Verhältnis haben,durch den äußeren Schnittpunkt E ergänzt wird, welcher ebenfalls dieselbe Bedingung erfüllt. Ein Kreis wird dann mit dem Mittelpunkt auf der Linie AB durch die Punkte D und E gezogen. Dies ist der Apollonische Kreis und der gewünschte Ort.

Das Problem, den äußeren Schnittpunkt zu finden, kann in der Praxis dadurch gelöst werden, daß von den drei bekannten Punkten A, B und D, welche auf einer Linie liegen, drei Linien zu einem Hilfspunkt gezogen werden, der mit X bezeichnet sei. Es wird angenommen, daß der Punkt D zwischen A und B liegt. Von A wird eine Hilfslinie gezogen, welche DX an einem ersten Schnittpunkt und BX an einem zweiten Schnittpunkt schneidet. Von B wird

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eine Linie durch den ersten Schnittpunkt gezogen, welche AX an einem dritten Schnittpunkt schneidet. Eine Linie wird dann durch den zweiten und den dritten Schnittpunkt gezogen. Wo diese Linie die von A, B und D definierte Linie schneidet, liegt der gesuchte äußere Schnittpunkt, welcher AB in demselben Verhältnis wie der innere Schnittpunkt D (d.i. in dem harmonischen Verhältnis) teilt.

Fig. 5 zeigt dieses Konstruktionsverfahren für den äußeren Schnittpunkt, so daß der Apollonische Kreis wie in Fig. 6 gezogen werden kann.

Die elliptische Bewegung, welche von den Unwuchtgewichten erzeugt wird, liegt, wie bereits angegeben, mit ihrer Hauptachse auf der Winkelhalbierenden CD. Es ist dann ersichtlich, daß zwei spezielle Fälle vorhanden sind, nämlich der Fall, wo der Schwerpunkt des Systems auf einem der Punkte D oder E liegt. Ersichtlich werden jedoch selbst in diesen Fällen Lösungen mit elliptischer Bewegung erhalten, wobei die ent-artete kleine oder große Achse der Ellipse auf der Verbindungslinie AB zwischen den Drehachseen liegt.

Allein im Hinblick auf eine praktische Ausführungsform ist es, wenn es erwünscht ist, die Erfindung beispielsweise für ein Sieb anzuwenden, vorteilhaft, gewisse Faktoren in Betracht zu ziehen. Einige der theoretischen Lösungen sind interessanter als andere. Beispielsweise ist es vorteilhaft, den Schwerpunkt des Systems weit von den Drehachsen entfernt zu legen, um die Wirkung einer Schräglast auf das gesiebte Material zu reduzieren. Es ist auch aus Fig. 6 ersichtlich, daß die Drehachsen entweder unterhalb oder oberhalb des Schwerpunktes des Systems angeordnet sein können.

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Das Verhältnis zwischen den Produkten aus der Masse und dem Drehradius für die Schwingmassen bestimmt das Verhältnis zwischen der großen Achse und der kleinen Achse der Schwingeliipse (vorausgesetzt, daß die Aufhängung symmetrisch ist). Dieses Verhältnis kann aus dem Ausdruck berechnet werden:

m... r. + itu r„

^m1 ^r1 - ^m2 ^r2

Ein geeignetes Verhältnis zwischen der großen Achse und der kleinen Achse ist 3:1, welches das Ergebnis liefert, daß m.. r.. : rru r~ = 2:1 ist.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Konstruktion weist eine aufgehängte Masse von etwa 1000 kg auf. Die Massen rotieren um Zentren, welche in einem Abstand von 100 cm voneinander liegen und vergleichbar sind mit Massenpunkten von 65 bzw. 35 kg mit mittleren Radien von 20 cm. Es wurde gezeigt, daß eine elliptische Bewegung erhalten wird, wenn a = 50 cm, c = 93 cm, b = 15 cm und d = 28 cm (Bezeichnungen entsprechend Fig. 3). Hierdurch wird die Theorie experimentell betätigt. (Wenn die Schwingmassen große Winkel um die Achsen einnehmen, muß natürlich eine Kosinuskorrektur durchgeführt werden, wenn integriert wird, um den wirksamen mittleren Abschnitt oder mittleren Radius zu bestimmen).

Zusammenfassen kann gesagt werden, daß die Erfindung die Erzeugung von besseren und weniger aufwendigen Antriebsvorrichtungen zur Erzeugung einer elliptischen Schwingbewegung möglich macht. Die Erfindung ermöglicht es, das schwere und nicht sehr unaufwendige Getriebe zu vermeiden. In dem gezeigten Beispiel sind die beiden Motoren außerhalb des Schwingsystems angeordnet, was im allgemeinen am geeignetsten ist. Jedoch ist niemand

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daran gehindert, die Motoren in die federnd aufgehängte Masse einzübeziehen, falls dies aus anderen Gründen zweckmäßig sein sollte.

Es wurde somit gezeigt, daß es möglich ist, mit unterschiedlich bemessenen Schwungmassen eine elliptische Rüttelbewegung zu erhalten, die im wesentlichen frei von anderen Bewegungen als einer translatorischen Bewegung ist, obwohl ein Getriebe fehlt. Es ist ersichtlich, daß eine geringfügige Abweichung von der erfundenen Konstruktionsregel zu einer gewissen Abweichung von der elliptischen Translationsbewegung führt, d.i. zu einer überlagerten Schwingung. Jedoch sollen auch solche Abwandlungen der erfindungsgemäßen Regel, welche von einem Fachmann je nach den Anforderungen und Mitteln durchgeführt werden, ebenfalls unter den Erfindungsgedanken fallen.

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Claims

Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer elliptischen Schwingbewegung ANSPRÜCHE

1. Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer elliptischen Schwingbewegung einer federnd abgestützten Vorrichtung, mit zwei Schwungmassen, die zu gesonderten Drehachsen exzentrisch angeordnet und in entgegengesetzten Richtungen drehbar sind, wobei das Produkt aus Masse und Abstand zur jeweiligen Drehachse für die beiden Schwingmassen unterschiedlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwungmassen (m.., m„) unabhängig voneinander drehbar angeordnet sind und an gesonderte Motoren (1, 2) mit derselben Nominal-Drehgeschwindigkeit gekuppelt sind, und daß der Schwerpunkt (C) der federnd abgestützten Vorrichtung auf einem Apollonischen Kreis (Fig. 6) der Drehachsen liegt, der derart bestimmt ist, daß das Verhältnis der Abstände zwischen dem Schwerpunkt und den Drehachsen umgekehrt proportional zu den Produkten der Gewichte der entsprechenden Schwingmasse und ihres mittleren Abstandes zu der entsprechenden Drehachse ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Produkte aus den Gewichten der Schwingmassen und ihren mittleren Abständen zu der entsprechenden Drehachse im wesentlichen 2:1 beträgt.

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B 0 9 B B /f / 0 8 8 0

ORIGINAL INSPECTED

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbierende swa Winkels zwischen solchen Linien, welche den Schwerpunkt (C) der abgestützten Vorrichtung mit den Drehachsen (A, B) verbindet, mit einer Siebebene einen Winkel von im wesentlichen 45° bildet.

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