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Vorrichtung zur Dauerprüfung von Kurbelwellen o. dgl. auf Drehschwingungen
Die Dauerprüfung von fertigen Kurbelwellen und ähnlichen Maschinenteilen erfordert,
wenn sie die Anforderungen des Betriebes möglichst getreu wiedergeben soll, die
Untersuchung auf Drehschwingungen mit sehr hoher Schwingungszahl. Wenn die Beanspruchungen
bei der Prüfung denen des Betriebes entsprechen sollen, so muß genaue Schwingungsforen
der Grundschwingung auf der Prüfmaschine eingestellt werden. Dies ist nur möglich,
wenn die Erregung in Re-. sonanz mit der Grundschwingung der Kurbelwelle erfolgt.
Andererseits muß aber während der Prüfung die Beanspruchung der Kurbelwelle mit
größter Genauigkeit über beliebig lange Dauer gleichbleibend gehalten werden. Diese
Forderung läuft darauf hinaus, daß der Schwingungsausschlag am freien Ende der Kurbelwelle
gleichbleibend gehalten werden muß. Beide Forderungen sind nur durch Anwendung besonderer
Mittel zugleich zu erfüllen. Da in der Prüfmaschine Kurbelwellen o. dgl. verschiedener
Ausführung und demnach auch verschiedener Eigenschwingungszahl untersucht werden
sollen, muß die Maschine sich einem weiten Bereich .der Grundfrequenzen anpassen
können, also beispielsweise bei der Prüfung von Flugzeugkurbelwellen zum mindesten
im Bereich der Frequenzen von d. ooo bis 9 ooo,lMinuten regelbar sein. Da fertige
Maschinenteile zu untersuchen sind, deren Widerstandsmoment im Vergleich zu dem
von Prüfstäben sehr beträchtlich ist, muß die Maschine außerordentlich hohe Erregerkräfte
erzeugen können. Sie muß also eine recht beträchtliche Leistung aufbringen. Bei
den äußerst hohen Geschwindigkeiten ist daher auf einen möglichst vollkommenen Massenausgleich
ganz besonderer Wert zu legen, da sonst die auf das Fundament übertragenen Kräfte
nicht mehr zu beherrschen sind.
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Diese vielen und sich zum Teil widersprechenden Forderungen lassen
sich nun gemäß der Erfindung in folgender Weise erfüllen: Die Kurbelwelle o. dgl.
wird mit Zusatzmassen versehen, welche die Wirkung der an ihr angreifenden Massenteile
des Getriebes (Kolben und Pleuelstangen) ersetzen, derart, daß ihre Eigenschwingungszahl
und Schwingungsform der Betriebsschwingungszahl entspricht. Dies geschieht zweckmäßig
derart, daß auf die Kurbelwellen der betriebsmäßig gelagerten Welle Massen in Form
von zweigeteilten Ringen aufgebracht werden, deren Größe gleich der Summe aus dem
umlaufenden Anteil und der Hälfte des schwingenden Anteils des T riebswerks (Kolben
und Pleuelstange) gemacht wird. Mit dem einen Kurbelwellenende ist eine Vorrichtung
zur Schwingungserregung fest verbunden. Ihr Massenträgheitsmoment bildet mit dem
der Welle und mit deren Federung ein schwingungsfähiges Gebilde. Es wird im allgemeinen
am Schwungrad- bzw. Propellerende der Welle angebracht und seine Größe entsprechend
dem
Massenträgheitsmoment dieser Teile bestimmt, so daß die Eigenschwingungszahl der
Kurbelwelle bei der- Prüfung in oder in der Nähe der Betriebsschwingungszahl liegt.
Damit die Erregervorrichtung nur solche Impulse erzeugt, die bezüglich der Schwingungsachse
ein reines Kräftepaar unter Vermeidung einer Einzelkraft bilden, greifen an der
Erregervorrichtung in einer zur Kurbelw ellenachse senkrechten Ebene zwei synchrone,
periodisch an- und abschwellende, um i8o° phasenverschobene Erregerimpulse an, die
in an sich beliebiger Weise, z. B. elektromagnetisch, zweckmäßig aber durch Wuchtmassenerregung
erzeugt werden. Am einfachsten und zuverlässigsten läßt sich die Kräftepaarerregung
von zwei mit Wuchtmassen gleicher Größe versehenen Schwungrädern hervorrufen, die
im gleichen Sinn, aber mit i8o° Phasenverschiebung umlaufen und mit zur Schwingungsachse
parallelen Achsen in den Erreger eingebaut sind. Auch diese parallele Lagerung der
Achsen der Wuchtmassenerreger trägtwesentlichdazu bei*unerwünschte Kräfte und Rüttelmomente,
welche die Messung in unangenehmer Weise stören,, zu vermeiden, so daß tatsächlich
nur das gewünschte, periodisch veränderliche Moment bezüglich der Schwingachse zur
Wirkung kommt.
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Um die Phasenverschiebung der beiden Schwingungsimpulse von genau
i8o° dauernd beizubehalten, können die Antriebe für die Schwingungserreger, die
zweckmäßig mittels Kardanwellen o: dgl. von einer ortsfest aufgestellten Kraftquelle
erfolgen, durch ein beliebiges starres Getriebe miteinander verbunden sein. Zweckmäßiger
ist es, die Erzeuger der Erregungsimpulse, also z. B. die Wuchtmassenerreger, durch
zwei Synchronmotore anzutreiben, die von einem gemeinsamen Generator gespeist werden,
wobei dann die Einregelung der Erregertaktzahl auf die Eigenschwingungszahl der
Kurbelwelle durch Änderung der Drehzahl dieses Generators erfolgt, dessen Drehzahl
während der Prüfung durch beliebige Mittel, vorzugsweise durch einen Fliehkraftregler,
gleichgehalten %4rd.
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Um der Forderung nachkommen zu können, den Schwingungsausschlag beliebig
lange mit großer Genauigkeit gleichzuhalten, empfiehlt es sich, jede der beiden
Impulstaktkräfte, welche das Kräftepaar bilden, ihrer Größe nach, und zwar für beide
Kräfte um den gleichen Betrag, veränderlich zu machen und diese Kraftänderung durch
den Schwingungsausschlag der Prüfwelle zu steuern. Bei Verwendung der Wuchtmassenerregung
ist diese Änderung der Erregerkraft z. B. dadurch verhältnismäßig einfach möglich,
daß jede der beiden gleich großen Impulstaktkräfte aus zwei Vektoren, etwa aus einem
nach Lage und Größe gleichbleibenden Hauptvektor und einem Steuervektor mit einer
dem Hauptvektor gegenüber regelbaren Phasenverschiebung besteht. Demgemäß wird jede
der beiden Impulstaktkräfte zweckmäßig durch die Fliehkräfte zweier synchroner und
mit parallelen Achsen umlaufender Wuchtmassen gebildet, deren Winkel zueinander
regelbar ist. Auch die zusätzlichen steuernden Erregerwuchtmassen werden zweckmäßig
durch Synchronmotore angetrieben, die von dem gleichen Generator gespeist.werden.
Die Regelung der Impulsgröße erfolgt durch Beeinflussung der Phasenverschiebung
der Steuervektoren durch den Schwingungsausschlag der Prüfwelle unter Zwischenschaltung
geeigneter Übertragungsmittel.
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Eine der zahlreichen möglichen Ausführungsformen des Erfindungsgedankens
ist auf der Zeichnung in Abb. i rein schematisch im Grundriß veranschaulicht.
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Abb. a ist ein Schnitt nach A-B der Abb. i. Die zu prüfende Kurbelwelle
i ist in der Weise gelagert, wie sie später verwendet werden soll, also zweckmäßig
in dem Maschinengehäuse z selbst. An Stelle der Getriebegassen sind auf die einzelnen
Kurbelzapfen Ersatzmassen 3, etwa in Form zweiteiliger Klemmringe, aufgebracht,
so daß die Kurbelwelle eine Massenverteilung hat, die mit der mittleren Massenverteilung
des praktischen Betriebes möglichst übereinstimmt. Demgemäß ist auch die Eigenschwingungszahl
der Prüfwelle die gleiche wie im Betriebe.
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Die Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Flugzeugmotoren,
«-erden im praktischen Betrieb nur durch Torsionsschwingungen in ihrer Grundfrequenz
erregt, so daß es zur Beantwortung der Frage, ob eine bestimmte Kurbelwelle oder
eine bestimmte Bauart solcher Wellen den praktischen Dauerbeanspruchungen widerstehen
kann, genügt, sie auf Drehschwingungen in der Grundfrequenz zu untersuchen, bei
welcher innerhalb der Welle nur ein Schwingungsknoten entsteht.
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Mit der Schwungrad- bzw. Propellerseite . der Prüfwelle ist eine Welle
5 verbunden, die bei 6 fest eingespannt ist, während ihr schwächerer Teil i als
Hilfsfederung dient. Diese hat den Zweck, die Nullage der Schwingung einwandfrei
festzulegen. Sie ist im übrigen so schwach gehalten, daß sie die schwingungstechnischen
Eigenschaften des Kurbelwellensystems so gut wie gar nicht beeinflußt. Mit dieser
Prüfwelle verbunden ist die Erregervorrichtung in Form eines Querbalkens B. Auf
diesem sind die Einrichtungen zur Erzeugung der Erregungsimpulse angebracht. Das
Massenträgheitsmoment der gesamten Erregervorrichtung 8 bildet mit dein Massenträgheitsmoment
der
Prüfwelle i und mit ihrer Federung das Schwingungssystem der Prüfmaschine.
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Zur Schwingungserregung dient in dem Beispiel die Fliehkrafterregung
durch Wuchtinassen. Um ausschließlich ein Kraftmoment um die Schwingachse zu erzeugen,
werden an dem Querbalken zwei gleich große, entgegengesetzt gerichtete Erregerkräfte
erzeugt, die periodisch an- und abschwellen. Demgemäß besteht die Erregervorrichtung
im wesentlichen aus den beiden auf dem Querbalken 8 gelagerten Schwungrädern 9,
die mit beliebig veränderlicher Wuchtmasse - versehen sind. Es ist dafür Sorge getragen,
daß beideWuchtinassen stets gleich groß eingestellt sind. Die Drehachsen dieser
Schwungräder 9 liegen parallel zur Schwingachse der Maschine und zweckmäßig im gleichen
Abstand von ihr. Sie werden mit gleicher Geschwindigkeit und im gleichen Drehsinn
angetrieben. Aus Abb. i geht hervor, daß bei dieser Anordnung die in Richtung des
Radius der Kurbelwelle wirkenden Komponenten sich in jedem Augenblick aufheben,
so daß nur die stets gleich großen -und um i8o° phasenverschobenen Tangentialkomponenten
zur Wirkung kommen, die sich zu einem reinen Kräftepaar zusammensetzen.
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Damit die Masse der ganzen Erregervorrichtung möglichst klein ist,
sind die Antriebsinotore io für die Schwungräder 9 zweckmäßig nicht auf dem Querbalken
8, sondern ortsfest angebracht. Eine Kardanwelle i i o. dgl. überträgt die Drehung
von dem Motor io auf das Schwungrad g.
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Um den synchronen Lauf der beiden genau tun i8o° versetzt umlaufenden
Wuchtmassen dauernd beizubehalten, könnte ein beliebiges, beide Schwingungserreger
verbindendes Getriebe im Antrieb vorgesehen sein. Mit Rücksicht auf die hohe Drehzahl
der Schwingungserreger empfiehlt es sich, den Antrieb durch zwei Synchronmotore
io vorzunehmen, die von einem gemeinsamen (nicht dargestellten) Generator gespeist
werden. Diese Motore laufen genau phasengleich: sie treiben also die Schwungräder
9 ebenso zwangläufig an, wie wenn ein Getriebe zwischen sie geschaltet wäre. Die
Drehzahl des Generators oder seines Antriebsmotors wird zweckmäßig mittels eines
Fliehkraftreglers genau auf dem für die jeweils vorzunehmende Prüfung gewünschten
Drehzahlwert gehalten. Andererseits ist es mittels geeigneter Drehzahlregler möglich,
die Drehzahl in sehr weiten Grenzen zu ändern, ohne daß die Genauigkeit der für
einen Prüffall eingestellten Drehzahl leidet.
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Die beschriebene Anordnung genügt zur Durchführung der Prüfung, falls
der Schwingungsausschlag während der Dauer des Ver-Buchs nicht mit besonders großer
Genauigkeit, .etwa auf einige Prozente, beibehalten werden muß. Ist diese Forderung
nicht sehr hoch gestellt, so genügt es, die Wuchtmassen jeweils von Hand einzustellen.
Bei hoher Anforderung an die Beibehaltung des Schwingungsausschlages regelt sich
dieser erfindungsgemäß selbsttätig, beispielsweise folgendermaßen: Neben die den
Hauptvektor der Erregungskraft erzeugenden Wuchtschwungräder 9 sind auf dem Querbalken
8 ähnliche Schwungräder i2 angeordnet, deren Kraftvektoren auch gleich groß und
um i8o° zueinander versetzt synchron mit den Hauptkraftvektoren -umlaufen, welche
die Schwungräder 9 erzeugen. Beide Steuerkraftvektoren laufen jedoch um den gleichen
einstellbaren Winkel phasenverschoben zu ihren benachbarten Hauptkraftvektoren.
Die Einstellung dieses Phasenwinkels und damit die Größe der aus Haupt-und Steuervektor
resultierenden Impulserregung wird selbsttätig entsprechend dem Schwingungsausschlag
der Prüfwelle gesteuert.
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In dein dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Steuerwuchtmassen
12 von je einem ortsfesten Synchronmotor 13 über eine Kardanwelle 14 angetrieben.
Mit Strom werden die Steuersynchronmotore 13 von dem gleichen Generator versorgt
wie die Hauptsynchronmotore i o. Hierdurch ist die zwangläufige Verbindung aller
umlaufenden Wuchtschwungräder 9, 12, also die genaue Beibehaltung der Vektorenwinkel
zueinander gewährleistet.
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Zur Änderung des Phasenwinkels der von den Schwungrädern 12 erzeugten
Steuervektoren gegenüber den Hauptvektoren der Schwungräder 9 werden in dem Ausführungsbeispiel
die Gehäuse der Steuersynchronmotore 13 gemeinsam um den gleichen Winkelbetrag axial
verdreht, z. B. durch Schnekkengetriebe 15, deren gemeinsame Welle 16 von
einem Steuermotor 17 in der einen oder anderen Richtung gedreht wird.
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Damit sich der Steuermotor 17 in Abhängigkeit von der Größe des Schwingungsausschlages
in der einen oder anderen Richtung dreht, wird von dem schwingenden Gebilde aus
eine Vorrichtung betätigt, die eine der Schwingungsweite proportionale Änderung
einer elektrischen Stromgröße, beispielsweise eine Wechselspannung hervorruft. In
dem Beispiel nach Abb. 3 ist mit dem schwingenden Prüfwellenende 18 ein lamelliertes
Zahnrad ig fest verbunden, das eine größere Anzahl Zähne 3o besitzt. Das Zahnrad
ig ist von einem Polgehäuse 2o umgeben, das eine entsprechende Innenverzahnung 31
trägt, deren Teilung genau mit der Zahnteilung 30
des lamellierten
Zahnrades ig übereinstimmt. Der -Ständer 2o ist zwecks Unterbringung der Wicklung
beiderseits beispielsweise auf einem Bogen von etwa 6o° ausgeschnitten. In diesen
Ausschnitten sind Gleichstromspulen 32 und Wechselstromspulen 33 untergebracht:
Das Polrad ig wird so eingestellt, daß seine Zähne 30 im Ruhezustand etwa
zur Hälfte mit den entsprechenden Zähnen 31 des Gehäuses 2o zur Deckung kommen.
Beginnt nun das Rad ig Schwingungen auszuführen, so verändert sich die für den Magnetfluß
zur -Verfügung stehende Dürchtrittsfläche entsprechend- dem Schwingwinkel. Sie wird
nach dem Beispiel der Abb. 3 bei Rechtsdrehung des Polrades um einen dem Auslenkungswinkel
entsprechenden Betrag vergrößert, bei Linksdrehung des Polrades entsprechend verkleinert.
Als Durchtrittsfläche für den Magnetfluß kommen, da der Luftspalt sehr gering bemessen
wird, die Flächen in Betracht, um welche sich die Zähne des Polrades i9 und des
Gehäuses 2o überdecken.
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Durch die Änderung des Flußquerschnittes wird der magnetische Widerstand
des Kreises geändert. Da die Amperewindungszahl der Gleichstrom-Erregerwicklung
32 durch eine starke Drosselspule vor- Änderungen geschützt wird, ändert sich der
Mägnetfluß proportional mit dem magnetischen Widerstand, also auch proportional
mit der zwischen Polrad- 1g und- Ständer 2o zur Verfügung stehenden Durchtrittsfläche.
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Durch die Flußänderungen werden in der Wechselstromwicklung 33 Spannungen
induziert, die als Maß für die Größe des Schwingungsausschlages dienen. Die Wechselstromwicklüng
wird, um von der Schwingungsfrequenz unabhängig zu werden, über einen genügend großen
induktiven Widerstand geschlossen und der dabei zustande kommende Strom einem Relais
2i zugeführt.
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Dieses Steuerrelais 2i besteht in dem Beispiel im wesentlichen aus
einem Magnet 22, dessen Anker 23 an einer Blattfeder 24 befestigt ist, die an ihrem
Ende zwischen zwei Kontakten 25, 26 spielt. Der Magnet 22 wird zweckmäßig durch
Gleichstrom polarisiert. Diese Gleichstromerregung kann so eingestellt werden, daß
die Spitze der Blattfeder 24 genau in der Mitte zwischen den beiden .Steuerkontakten
25, 26 steht, wenn der Ausschlag des elektrischen Schwingungsmessers ig, 22, also
auch der des Prüfkörpers i, den gewünschten einzuhaltenden Wert besitzt. Wird der
Ausschlag zu klein, so entfernt sich der Anker 23 vom Magneten 22 und der äußere
Kontakt 26 wird geschlossen; wird er zu -groß, so findet ein Schluß des inneren
Kontaktes 25- statt. Die Kontakte 25, 26 schließen und öffnen den@Ankerstromkreis
des Steuermotors 17 in der Weise, daß die Ankerdrehrichtung beim Schluß des Kontaktes
26 die entgegengesetzte ist wie beim Schluß der Kontakte 25. Diese selbsttätige
Steuereinrichtung läßt sich außerordentlich feinfühlig einstellen, so daß der Schwingungsausschlag
und damit die Beanspruchung des Prüfkörpers i für eine beliebige Prüfdauer mit äußerst
hoher Genauigkeit gleichgehalten werden kann.