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Schwingungserreger zum Prüfen technischer Gebilde mittels umlaufender
Massen Zusatz zum Patent 677939 Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungserreger
zuni Prüfen technischer Gebilde mittels umlaufender Massen, deren gemeinsamer Massenmittelpunkt
exzentrisch zu ihrer Drehachse umläuft, wobei die umlaufenden Massen und ihre Trager
derartig angeordnet und ausgebildet sind, daß sich zur selbsttätigen Regelung der
von dem Erreger ausgeübten Kräfte in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abstand des
gemeinsamen Massenmittelpunktes der umlaufenden Massen von der Drehachse bei zunehmender
Drehzahl verkleinert nach Patent 677 989.
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In dem Hauptpatent ist ein Schwingungserreger unter Schutz gestellt,
bei dem die Unwuchtkräfte bei zunehmender Frequenz auf einen bestimmten Größtwert
begrenzt sind. Die Unwuchtkräfte änderten sich bei diesem Erreger mit wachsender
Frequenz nach einer anfangs etwa sinus artig gekrütnmt verlaufenden Funktion, die
in eine Asymptote zu der gewählten Höchstkraft übergeht.
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Beim praktischen Betrieb mit derartigen Schwingungserregern hat sich
nun ergeben, daß die Unwuchtkräfte in einem Teil des für die Prüfung wichtigen Frequenzbereiches
einen zu geringen Anstieg mit der Frequenz aufweisen. Für die Schwingungsuntersuchungen
sollen nämlich die Erregerkräfte innerhalb des ganzen für die Prüfung vorgesehenen
Frequenzbereiches möglichst geradlinig mit der Erregerfrequenz ansteigen, um trotz
der gleichfalls mit der Erregerfrequenz anwachsenden Massenkräfte der zu erregenden
Bauteile ausreichend große Schwingungsamplituden an den Bauteilen zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung soll deshalb bei einem Schwingungserreger nach
dem Hauptpatenx mit zwei umlaufenden Massen die leine Wuchtmasse fest und die andere
um eine
außerhalb der Grundkörperdrehachse die gende Achse entgegen
der Wirkung eines Kraftspeichers drehbar mit dem Grundkörper verbunden sein, so
daß der Anstieg der Erregerkräfte in einem bestimmten Drehzahl bereich angenähert
geradlinig erfolgt. In dem Schwingungserreger nach der Erfindung können die von
der Eigenselnvingung des Federmassensystems herrührenden Oberschwingungen durch
einfache bauliche Maßnahmen erfolgreich gedämpft werden, so daß eine einwandfreie
und wirksame Schwingungserregung gewährleistet ist. Durch ein wesentlich kleineres
Gewicht und geringeren Raumbedarf gegenüber der früheren Ausführung eignet sich
der nene Schwingungserreger insbesondere zum Einbau in die Tragflügel von Luftfahrzeugen
für die Durchführung von Flugschwingungsversuchen. Außer der geringfügigen Kugellagerreibung,
die in den die verschwenkte Masse und jenen den Grundkörper tragenden Kugellagern
auftritt, sind bei dieser Einrichtung keine zusätzlich störenden Reibungsquellen
vorhanden, so dalj mit diesem einfachen betriebssicheren Schwingungserreger sichere
Versuchsergebnisse lerzielt werden.
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Auf der Zeichnung ist in Abb. I die Kraftdrehzahlkennlinie bei einem
Schwingungserreger nach der Erfindung in vollen Linien und der Kräfteanstieg bei
einer Ausführung nach dem Hauptpatent in gestrichelten Linien dargestellt.
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Abb. 2 zeigt den Kräfteplan und die Verlagerung des gemeinsamen Massenmittelpunktes
bei einem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
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Abb. 3 zeigt eine mögliche Ausführung eines Schwingungserregers nach
der Erfindung im Längsschnitt.
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Abb. 4 zeigt einen Querschnitt nach Linie IV-IV von Abb. 3.
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In Abb. 1 sind die Erregerkräfte R der umlaufenden Massen leines
Schwingungserregers nach der Erfindung in Abhängigkeit von der Drehzahl 11 durch
eine Kurve a dargestellt. Der parabolische Verlauf der Kurve von Punkt 0 bis A zeigt
das schnelle Anwachsen der Kräfte bei verhal tnismäßig niedrigen Drehzahlen. Nachdem
die .errechnete Vorspannung der die verschwenkbare Zusatzmasse steuernden Spiralfeder
durch die Tangentialkomponente der auf diese Masse wirkenden Fliehkraft überwunden
ist, beginnt die Regelung des Kräfteanstieges, und die Kraftgröße des Erregers nimmt
innerhalb des für praktische Zwecke in Frage kommenden Wirkungsbereiches, der zwischen
den Punkten A, und B liegt, im Verhältnis, zu den gesteigerten Drehzahlen gleichmläßig
zu, wie es durch den geradlinigen Verlauf der Kurve n zwischen A und B veranschaulicht
ist. Im Gegensatz zu diesem Kräfteverlauf steht die in gestrichelten Linien angedeutete
Kennlinie b des Eräfteanstieges bei einem Schwingungserreger früherer Ausführung.
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Der gleichmäßige Kraftanstieg mit der Frequenz nach der Kennlinie
a verhütet im unteren Frequenzbereich Uberbeanspruchungen des zu prüfenden Bauteils
und gewähr leistet gleichzeitig im oberen Frequenzbereich eine ausreichende Zunahme
der Erregerkraft mit der Frequenz.
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Der in Abb. 2 dargestellte Schwingungserreger kann in einer dem Sinne
des Uhrzeigers entsprechenden oder auch in entgegengesetzter Richtung angetrieben
werden.
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Durch den Punkt C geht die Drehachse des gesamten umlaufenden Massensystems,
das sich aus einer in bezug auf die Drehachse C fest angeordneten Schwungmasse Gi
und einer beweglichen, federgesteuerten Zusatzmasse G zusammensetzt. Die bewegliche
Masse G2 ist um den Punkt D. verschwenkbar gelagert, der im Abstand außermittig
zur Drehachse C auf einem mit der Masse G1 verbundenen Grundkörper angeordnet ist
und auch den Befestigungspunkt der Spiralfeder 8 bildet. Wird der Erreger in Umlauf
gesetzt, so wächst die Erregerkraft R, die sich aus den von den Massen G1 und Go
erzeugten Fliehkräften Fll und F12 zusammensetzt, zuerst rasch an, bis die Tangentialkomponente
T der Fliehkraft Fl2, die auf die bewegliche Masse G2 radial zur Drehachse C wirkt,
die Vorspannung der Spiralfeder 8 überwindet Punkt A des Schaubildes in Abb. I).
Bei weiter zunehmender Umlaufgeschwindigkeit hält die Feder 3 bei den verschiedenen
Drehzahlen dem Drehmoment der Tangentialkomponente T um die Achse; jeweils das Gleichgewicht
(Stellung I, II und III der Masse <12 in Abb. 2). Diese Wirkung ist unabhängig
von der Drehrichtung. Die Größe der Tangentialkomponente T steht dabei in einem
unmittelbaren Zusammenhang mit dem Abstand e des Exzentermittelpunktes D von der
Drehachse C, so daß durch Veränderung der Exzentrizität auch die Tangentialkomponente
T geändert werden kann. Der Ausschlag der verschwenkbaren Zusatzmasse 02, die das
Gegengewicht zur Masse G, bildet, vergrößert sich mit steigender Drehzahl in einem
von dieser und der Spannung der Spiralfeder 8 abbängigen Verhältnis, während der
Abstand r des gemeinsamen Massenmittelpunktes S der umlaufenden Massen Q1 und G2
von der Drehachse C im gleichen Verhältnis sich fortlaufend verkleinert (Abb. 2).
Das gleichmäßige Anwachsen
der Erregerkräfte mit zunehmender Drehzahl
innerhalb des Bereiches A-B der Abb. r wird dabei durch entsprechende Bemessung
der die Zusatzmasse G2 steuernden Spiralfeder 8 erzielt. Wie aus Abb. 2 ersichtlich,
verringert sich, durch den Ausschlag der Masse G2 bedingt, der Abstand r in einem
zur resultierenden Kraftgröße R genau bestimmten Verhältnis, so daß die aus Masse,
Abstand und Winkelgeschwindigkeit sich ergeh enden Werte gleichtiiäßig anwachsen
und in einem Diagramm aufgetragen durch eine geradlinige Kennlinie dargestellt werden
(Abb. 1). Die Stellung III zeigt ungefähr den maximalen Ausschlag der Masse do innerhalb
des vorbestimmten Wirkungsbereiches des Erregers.
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Der in Abb. 3 und 4 als Ausführungsbeispiel gewählte Schwingungserreger
besteht aus einem trommelförmig ausgebildeten Tragkörper I, der aus einem zylindrischen
Gehäuseteil und zwei diesen Gehäuseteil begrenzenden Wandungen 2, 3 zusammengesetzt
ist. Am äußeren Umfang des Tragkörpers 1 ist eine Schwungmasse G angeordnet und
mit diesem fest verbunden. Die mittleren Teile der Seitenwandungen 2 und 3 sind
nach außen hin als Naben 4 und 5 ausgebildet und dienen zur Aufnahme der Antriebswelle
6.
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Im Inneren des Gehäuses ist auf der Antriebswelle 6 ein Exzenter 7
aufgekeilt, an dem eine Spiralfeder 8, die eine gewisse Vorspannung hat, mit ihrem
inneren Ende befestigt ist. Das äußere Ende der Spiralfeder 8 ist mit einer zweiten
Wuchtmasse <12 mittels eines Schraubenbolzens verbunden.
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Die Zusatzmasse G2 ist mit einer Ausnehmungg zur Aufnahme von Zusatzgewichten
versehen, so daß die Zusatzmasse &2 und damit die von ihr erzeugte Fliehkraft
leicht verändert werden kann. Die Masse <12 ist auf dem Exzenter 7 in zwei Kugellagern
gelagert, um eine möglichst reibungsarmle Führung und Verschwenkung der Masse G2
während der Umlaufbewegung zu gewährleisten.
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Die Innenseite der Seitenwandung 2 ist mit einem Konus Io versehen,
der in einen Hohlkonus 1 1 des Exzenters 7 eingreift, wodurch die Lage des Exzenters
zum Tragkörper 1 genau festlegbar ist. Wahrend des Betriebes wird die durch die
Antriebswelle 6 eingeleitete Drehbewegung über. den Exzenter 7 auf den Grundkörper
1, 2, 3 übertragen. Im Gehäuse ist ferner ein Anschlagblechf I2 angeordnet, an dem
in der Rulielage der Einrichtung und bei niedrigen Drehzahlen, bis die Fliehkraftkomponente
T die Vorspannung der Spiralfeder 8 überwunden hat, die Masse 02 anliegt. Der als
Gehäuse ausgebildete Tragkörper I ist mit einem die störenden Eigenschwingungen
der Spiralfeder aufhebenden flüssigen Dämpfungsmittel angefüllt, das selbst bei
niedrigsten Temperaturen flüssig bleibt. Diese Eigenschwingungen entstehen infolge
des periodischen zweimaligen Wirksamwerdens der Schwerkraft bei je einer Umdrehung,
wie auch infolge des Anlaufstoßes, und beeinträchtigen die Wirkungsweise des Schwingungserregers.
Das Anschlagblech 12 erfüllt einen weiteren Zweck dadurch, daß das während der Umlaufbewegung
in Fluß geratene öl aufgehalten und eine Widerstandserhöhung des Dlämpfungsmittels
erzielt wird. Auf die Nahen 4 und 5 der Seitenwandungen sind Pendellager aufgepreßt,
die in ortsfesten, schalenförmig ausgebildeten Lagerstützen 13, 14 angeordnet sind
und die ihrerseits auf das zu untersuchende Gebilde aufgeschraubt werden. Das der
Antriebsseite entgegengesetzte Ende der Antriebswelle 6 trägt einen geschlitzten
Stirnzapfen, der während des Betriebes der Einrichtung mit der Antriebswelle eines
Drehzahlm ssers (auf der Zeichnung nicht dargestellt) gekuppelt werden kann. Am
unteren Ende des Stirnzapfens ist ein Gewinde vorgesehen, auf das eine Mutter 15
aufgeschraubt ist, die beim Zusammenbau des Schwingungserregers den konisch ausgebildeten
Teil 10 der Seitenwandung 2 in den Gegenkonus I I des Exzenters 7 hineinpreßt. Das
Exzenter kann innerhalb kleiner Grenzen dadurch verstellt werden, daß man die Mutter
15 Iösi und die Welle mittels eines Schraubenziehers, der in den Schlitz des Stirnzapfens
eingeführt wird, etwas dreht. Das auf der Antriebswelle aufgekeilte Exzenter wird
um die Antriebsachse verschwenkt, wodurch die Vorspannung der Spiralfeder geregelt
und die Charakteristik des Erregers geändert wird.
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Der Antrieb des Schwingungserregers verfolgt durchs einen auf der
Zeichnung nicht dargestellten Elektromotor, dessen Umdrehungszahl durch eine geeignete
Reguliervorrichtung beliebig gewählt werden kann.