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Vorrichtung zum Erfassen der Unwucht eines
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rotierenden Körpers Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Erfassen der Unwucht eines rotierenden Körpers, insbesondere der
Waschtrommel einer Waschmaschine, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Gattung.
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Es sind berührungsfrei arbeitende sog. Abstandssensoren bekannt, die
auf dem Prinzip der Abstandsmessung die Drehzahl eines rotierenden Körpers berührungsfrei
erfassen. Eine mit dem Körper synchron umlaufende Impulsscheibe trägt zur Drehzahlerfassung
Zähne und Lücken oder Streifenmuster von unterschiedlichen Materialzonen, die von
einem räumlich dazu feststehenden Sensor abgetastet werden. Die Frequenz der Ausgangsspannung
des Sensors ist ein Maß für die Drehzahl des rotierenden Körpers.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen
der Unwucht eines rotierenden Körpers mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
1 hat den Vorteil, solche nach dem Abstandsmeßprinzip berührungsfrei arbeitende
Drehzahlmesser zugleich zur Messung der Unwucht des rotierenden Körpers zu benutzen.
Tritt an dem rotierenden Körper eine Unwucht auf, so verändert sich bei entsprechender
Aufhängung von Körper und Meßrad der Abstand zwischen Meßrad und dem fest angeordneten
Sensor periodisch. Die Ausgangsspannung des Sensors wird dadurch mit einem von der
periodoschen Abstandsänderung herrührenden Signal moduliert. Erfindungsgemäß wird
nun die Hüllkurve der Ausgangsspannung des Sensors demoduliert und damit ein Maß
für die Unwucht des Körpers bei der jeweiligen Drehzahl gewonnen. Der erfindungsgemäß
vorgesehene Hüllkurvendetektor kann dabei als Filterschaltung, Gleichrichter oder
Spitzenwertgleichrichter ausgebildet sein. Durch die erfindungsgemäße Verwendung
eines an sich bekannten Drehzahlmessers auch zur Messung der Unwucht kann mit nur
geringem schaltungstechnischen Aufwand, der ausschließlich in dem zusätzlichen Hüllkurvendetektor
besteht, zu jeder Drehzahl des rotierenden Körpers die Größe der eventuell vorhandenen
Unwucht festgestellt werden.
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In dem bevorzugten Anwendungsfall der Vorrichtung bei Waschmaschinen
kann diese dazu verwendet werden, die Schleuderdrehzahlen der Waschtrommel zu steuern.
So kann einerseits die maximale Schleuderdrehzahl beim Trockenschleudern bei Auftreten
einer maximal zulässigen Unwucht begrenzt werden. Andererseits kann aber auch mittels
Vor- und Rückläufe der Waschtrommel eine Umsortierung der Wäsche im Sinne einer
gleichmäßigeren Verteilung in
der Waschtrommel zur Erzielung einer
geringeren Unwucht vorgenommen werden. Weiterhin kann der zeitliche Verlauf der
Unwucht gemessen und daraus auf den Trockenheitsgrad der Wäsche geschlossen werden.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich.
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Die Ausführungsformen der Erfindung gemäß Anspruch 2 in Verbindung
mit den Ansprüchen 3 - 6 geben dabei zwei knstruktive Möglichkeiten an, den Sensor
in bezug zum Meßrad so anzuordnen, daß bei Auftreten der Unwucht sich eine periodische
Abstandsänderung zwischen Sensor und Meßrad ergibt. Die Ausführungsformen der Erfindung
gemäß den Ansprüchen 7 und 8 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Meßrades zur
Erzielung von Meßwertsignalen mit einem guten Nutz-/Störverhältnis.
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Zeichnung Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Waschmaschine mit einer Vorrichtung
zum Messen der Drehzahl und Unwucht, Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung
der Drehzahl- und Unwucht-Meßvorrichtung in Fig. 2,
Fig. 3 eine
gleiche Darstellung wie Fig. 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 4 eine
elektrische Schaltung der Drehzahl-und Unwucht-Meßvorrichtung in Fig. 1 - 3, Fig.
5 eine schematische Draufsicht auf das Antriebsaggregat einer Waschtrommel der Waschmaschine
in Fig. 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, Fig. 6 eine Darstellung des
zeitlichen Verlaufs des Ausgangssignals (Spannung oder Stroms) des Sensors der Drehzahl-und
Unwucht-Meßvorrichtung in Fig. 1 - 5 bei fehlender Unwucht, Fig. 7 eine Darstellung
des zeitlichen Verlaufs des Ausgangssignals des Sensors der Drehzahl- und Unwucht-Meßvorrichtung
in Fig. 2 bei vorhandener Unwucht, Fig. 8 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs
des Ausgangssignals des Sensors der Drehzahl- und Unwucht-Meßvorrichtung in Fig.
3 bei Auftreten einer Unwucht, Fig. 9 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der
durch Unwucht hervorgerufenen Beschleunigung der Waschtrommel in Fig. 1 bei Trockenschleudern
mit von der Drehzahl- und Unwucht-Meßvorrichtung gesteuerten Schleuderdrehzahlen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Vorrichtung zum Erfassen
der Unwucht eines rotierenden Körpers ist im folgenden am Beispiel einer in Fig.
1 schematisch dargestellten Waschmaschine beschrieben. Der rotierende Körper wird
dabei von einer strichliniert angedeuteten Waschtrommel 10 der Waschmaschine gebildet,
die in einem Waschbehälter 11 umläuft. Der Waschbehälter 11 ist über Stoßdämpfer
12 in einem Gehäuse 13 federnd aufgehängt. Die Waschtrommel 10 trägt einen in einem
Drehlager gehaltenen Wellenstummel 14. Das Drehlager ist am Waschbehälter 11, der
die Halterung für das Drehlager bildet, gehalten.
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Am Waschbehälter 11, und zwar an einem seitlich von diesem abstehenden
Flansch 15 ist ein Antriebsmotor 16 für die Waschtrommel lo gehalten. Auf der Abtriebswelle
17 des Antriebsmotors 16 sitzt eine Abtriebs-Riemenscheibe 18 und ein Meßrad 19
einer Meßvorrichtung 20 zum Messen der Drehzahl und Unwucht der Waschtrommel 10.
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Ein zur Meßvorrichtung 20 gehörenden Sensor 23 ist am Gehäuse mit
Radialabstand von dem Meßrad 19 befestigt.
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Die Abtriebs-Riemenscheibe 18 ist über einen Antriebsriemen 21 mit
einer auf einem Wellenstummel 14 drehfest angeordneten Antriebs-Riemenscheibe 22
verbunden, so daß die Waschtrommel 10 in dem von den Durchmessern der Riemenscheiben
18, 22 vorgegebenen Untersetzungsverhältnis mit der Abtriebswelle 17 umläuft.
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Die Meßvorrichtung 20 weist einen an sich bekannten berührungslos
messenden Drehzahlmesser 24 auf, dem das Meßrad 19 und der Sensor 23 zugehörig ist.
Das Meßrad 19 trägt am Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Meßzonen 25 (Fig.
2), die beim Rotieren des Meßrades 19
von dem Sensor 23 abgetastet
werden. Aus der Zahl der pro Zeiteinheit abgetasteten Meßzonen 25 kann die Drehzahl
des Meßrades 19 und damit die der Waschtrommel 10 bestimmt werden.
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Aufbau und Wirkungsweise des Drehzahlmessers 24 ist an sich bekannt.
Er kann optisch, kapazitiv, induktiv magnetisch oder auf Wirbelstrombasis arbeiten.
Der Vollständigkeit halber soll ein Beispiel eines Drehzahlmessers 24 kurz beschrieben
werden. Der Sensor 23 des Drehzahlmessers 24 wird von einer Spule 26 gebildet (Fig.
4), deren Spulenachse radial zum Meßrad ausgerichtet ist. Die Spule 26 wird von
einem Wechselstrom mit der Trägerfrequenz fT gespeist, der von einem Generator 27
erzeugt wird. Das von der Spule 26 erzeugte magnetische Wechselfeld durchdringt
die Meßzonen 25 des Meßrades 19, wodurch durch zwei Effekte, den magnetostatischen
Effekt einerseits und den Wirbelstromeffekt andererseits, eine Induktivitätserhöhung
bzw. Induktivitätsverminderung der Spule 26 auftritt. Die Größe des jeweiligen Effekts
ist noch von dem Abstand zwischen der Spule 26 und den Meßzonen 25 abhängig. Der
an der Spule 26 auftretende Spannungsabfall U bildet das g Meßsignal und wird zur
Drehzahlbestimmung ausgenutzt.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Drehzahlmesser 24 ist das Meßrad 19
als Zahnscheibe 28 ausgebildet, wobei die einzelnen Meßzonen 25 von über dem Umfang
sich aneinanderreihenden Zahnköpfen 29 und Zahnlücken 30 gebildet sind. Erfolgt
die Drehzahlmessung bevorzugt auf induktive Weise, besteht also die Zahnscheibe
28 aus ferromagnetischem Material, so mißt der Sensor 23 einmal gegen die Zahnköpfe
29 und einmal gegen die Zahnlücken 30, wodurch der Scheinwiderstand der Spule 26
im Rhythmus von
Zahnkopf 29 und Zahnlücke 30 in seiner Größe schwankt.
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Das Ausgangssignal des Sensors 23, also der Spannungsabfall an der
Spule 26, zeigt den in Fig. 6 dargestellten zeitlichen Verlauf, wobei angenommen
ist, daß die Zahnscheibe 28 ohne Unwucht umläuft, sich der Radialabstand zwischen
den Zahnköpfen 29 und der Spule 26 während eines Umlaufs der Zahnscheibe 28 also
nicht ändert. Durch Bestimmen der Frequenz läßt sich bei Kenntnis der Zähnezahl
ohne weiteres die Drehzahl des Meßrades 19 bzw. der Zahnscheibe 28 angeben. Hierzu
ist eine entsprechende Auswerteeinheit 31 vorgesehen, die z.B, aus einem Frequenzdetektor,
einem Rechenglied und einer Anzeige bestehen kann.
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Bei unsymmetrischer Beladung bzw. Verteilung der Wäsche in der Waschtrommel
10 ergibt sich insbesondere beim Schleudern eine Unwucht, wodurch die gesamte Einheit
aus Waschbehälter 11 und Antriebsmotor 16 infolge der elastischen Aufhängung durch
die Stoßdämpfer 12 eine Relativbewegung gegen das Gehäuse 13 ausführt. Da der Sensor
23 ortsfest am Gehäuse 13 befestigt ist, wirkt sich diese Bewegung als Abstandsänderung
zwischen dem Sensor 23 und dem Meßrad 19 aus. Dem in Fig. 6 dargestellten Ausgangssignal
wird ein von der Abstandsänderung herrührendes Signal mit wesentlich geringerer
Frequenz überlagert. Das Ausgangssignal des Sensors 23 zeigt einen in Fig. 7 dargestellten
Verlauf. An dem Sensor bzw. an der Spule 26 ist ein Hüllkurvendetektor 32 angeschlossen,
der als Filterschaltung, Gleichrichter oder Spitzenwertgleichrichter ausgebildet
sein kann. Am Ausgang 33 des Hüllkurvendetektors 32 steht damit ein Signal zur Verfügung,
das ein direktes Maß für die durch die Unwucht erzeugte Bewegung des Waschbehälters
11 darstellt.
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Der in Fig. 3 ausschnittweise dargestellte Drehzahlmesser 24' stimmt
bis auf das Meßrad 19' in Ausbildung und Anordnung mit dem beschriebenen Drehzahlmesser
24 überein, so daß gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind,
die zur Unterscheidung mit einem Beistrich versehen sind. Die Meßzonen 25' auf dem
Meßrad 19' sind hier als über den Umfang abwechselnd aneinandergereihte Felder 34'
aus leitfähigem, nicht ferromagnetischem Material einerseits und als Felder 25'
aus hochpermeablem, ferromagnetischem Material andererseits ausgebildet. Dadurch
werden in dem Drehzahlmesser 24' beide eingangs genannten Effekte, der magnetostatische
Effekt und der Wirbelstromeffekt ausgenutzt.
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Da beide Effekte gegensätzlich wirken, also eine Induktivitätserhöhung
bzw. eine Induktivitätsverminderung der Spule 26' bewirken, wird die Selbstinduktivität
der Spule 26' bei etwa gleichem Abstand der Felder 34' und 35' von der Spule 26'
abwechselnd erhöht und vermindert.
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Tritt nun zusätzlich eine Unwucht in der Waschtrommel 10 auf, und
damit eine Relativbewegung des Meßrades 19' gegen den Sensor 23', so zeigt das Ausgangssignal
des Sensors 23' den in Fig. 8 dargestellten Verlauf. Auch aus diesem Signalverlauf
wird in der beschriebenen Weise die Drehzahl und die Unwucht des Meßrades 19' bzw.
der Waschtrommel 10 bestimmt. Für eine günstige Fertigung wird vorteilhafterweise
der Körper des Meßrades 19' aus ferromagnetischem, hochpermeablem Stoff (z.B. magnetischem
Ferrit) hergestellt, und die Meßzonen 34i werden durch Folien aus gut leitfähigem,
nicht ferromagnetischem Buntmetall, z.B. Kupfer, gefertigt. Die Abmessungen der
Folien und ihre Aufbringung auf den Meßradkörper ist so getroffen, daß die Felder
34' und 35' ungefähr die gleichen Abmessungen aufweisen.
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Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung von Meßrad 19 und Sensor
23 ist nur möglich, wenn keine zu großen Abstandsänderungen zwischen diesen beiden
auftreten können. Ist dies nicht der Fall und besteht die Gefahr einer Berührung
und damit die Gefahr der Zerstörung des Drehzahlmessers 24, so ist es vorteilhaft,
gemäß der Ausführungsform in Fig. 5 den Sensor 23 ebenfalls am Waschbehälter 11
oder am Antriebsmotor 16 zu befestigen, und zwar in elastischer Weise derart, daß
der Sensor 23 bei Auftreten der Unwucht infolge seiner Trägheit zu Relativbewegungen
radial zum Meßrad 19 angeregt wird. Hierzu ist der Sensor 23 auf einer Schwinge
36 angeordnet, die am Flansch 15 oder am Gehäuse des Antriebsmotors 16 angeordnet
ist. Die Schwinge 36 ist im Beispiel als Biegebalken ausgebildet, dessen Länge und
Querschnitt so ausgelegt ist, daß er bei durch Frequenz und Amplitude der Unwucht
bedingten Bewegungen der Einheit aus Waschtrommel 10, Waschbehälter 11 und Antriebsmotor
16 so ins Schwingen gerät, daß sich der Radialabstand zwischen Meßrad 19 und Sensor
23 periodisch ändert. Auch in diesem Fall zeigt das Ausgangssignal des Sensors 23
einen in Fig. 7 oder 8 dargestellten Verlauf. Ein Anschlag 37 für die Schwinge 36
verhindert dabei, daß der Sensor 23 mit dem Meßrad 19 in direkte Berührung gerät.
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Die vorstehend beschriebene Meßvorrichtung 20 zum Messen der Drehzahl
und der Unwucht der Waschtrommel 10 kann gleichzeitig zur Steuerung der Schleuderdrehzahl
der Waschtrommel 10 beim Trockenschleudern der Wäsche verwendet werden. Vorteilhaft
ist es dabei, den zeitlichen Verlauf der durch Unwucht erzeugten Beschleunigung
zu messen und darüber zu einer Aussage über den beim Schleudern erzielten Trockenheitsgrad
zu kommen.
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Man kann dadurch feststellen, wann bei einer vorgege-
benen
Schleuderdrehzahl die Wäsche kein Wasser mehr abgibt, und kann somit individuell
den Schleudervorgang abbrechen oder eine höhere Schleuderdrehzahl einschalten, um
den Trockenheitsgrad der Wäsche zu erhöhen. Insgesamt kann dadurch der Trockenschleudervorgang
der Waschmaschine bei gleichem Trockenheitsgrad der Wäsche erheblich verkürzt werden.
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In Fig. 9 ist der prinzipielle Verlauf der durch Unwucht beim Trockenschleudern
von Wäsche hervorgerufenen Beschleunigung der Waschtrommel 10 für zwei verschiedene
Drehzahlen dargestellt. Begonnen wird der Schleudervorgang mit der niederen Drehzahl
und sehr nasser Wäsche, was zu einer starken Unwucht und zu einer entsprechend hohen
Beschleunigung führt. Nach sehr kurzer Zeit geht jedoch durch das abgeschleuderte
Wasser die Unwucht stark zurück und nähert sich nach einigen Minuten einem konstanten
Wert. Dies bedeutet, daß bei dieser Drehzahl von der Wäsche kein Wasser mehr abgegeben
wird. Wird die Drehzahl erhöht, dann wiederholt sich der ganze Vorgang noch einmal,
und es ist deutlich eine Verringerung der durch die Unwucht hervorgerufenen Beschleungigung
zu erkennen. Durch diese Messung der durch die Unwucht hervorgerufenen Beschleunigung
über die Zeit kann sehr früh erkannt werden, zu welchem Zeitpunkt die Wäsche kein
Wasser mehr abgibt, der durch die Drehzahl vorgegebene Trokkenheitsgrad der Wäsche
also erreicht ist. Der Schleudervorgang kann dann abgebrochen werden, was zur Energie
und Zeitersparnis von erheblichem Wert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
So kann das Meßrad 19,19' des Drehzahlmessers 24,24' unmittelbar auf der Welle
des
rotierenden Körpers drehfest sitzen, hier also mit der Riemenscheibe 22 auf dem
Wellenstummel 14 angeordnet sein. Der Sensor 23, 23' ist dann entsprechend zu versetzen,
so daß er wieder den gleichen Radialabstand zum Meßrad 19, 19' hat.
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