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Einrichtung zum Anzeigen oder Aufzeichnen der Verdrehungsschwingungen
eines umlaufenden Körpers Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, die es
ermöglicht, Verdrehungsschwingungen eines umlaufenden Körpers z. B. einer umlaufenden
Maschinenwelle, während des Laufes zu beobachten und nach Frequenz und Schwingungsweite
aufzuzeichnen.
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Zu diesem Zweck pflegt man mit dem schwingenden Körper eine Schwungmasse
so weich zu koppeln, daß sie die Verdrehungsschwingungen nicht mitmacht, sondern
mit einer mittleren Frequenz umläuft. Um die Verdrehungsschwingungen einer Welle
anzuzeigen, wird also mit dieser ein Drehkörper verbunden, auf dem ein als Schwungmasse
wirkender zweiter Drehkörper zentrisch leicht drehbar gelagert und durch eine Federanordnung
mit dem ersten Drehkörper lose gekoppelt ist.
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Um nun die Verdrehungsschwingungen der Welle aufzuzeichnen, ist es
ferner bekannt, mit dem einen der beiden umlaufenden Körper ein Schreibglied und
mit dem anderen eine Schreibfläche zu verbinden. Da aber die Schwingungsweiten bei
den Verdrehungsschwingungen
im allgemeinen sehr klein sind, sind
beim Auswerten der Aufzeichnungen Vergrößerungseinrichtungen erforderlich. Außerdem
macht sich insbesondere bei Schwingungen hoher Frequenz die Massenträgheit sowie
der Einfluß der Schleuderkräfte auf die Schreihglieder häufig störend bemerkbar.
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Man ist deshalb dazu übergegangen, durch die Verdrehungsschwingungen
in einer elektrischen Schaltung angeordnete Widerstände derart zu beeinflussen.
daß man entsprechende Stromänderungen erhält, die dann durch einen Oszillographen
aufgezeichnet werden können.
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Diese Anordnungen haben aber den Nachteil, daß man den Meßstrom den
umlaufenden Teilen der Nleßschaltung durch Schleifl;ontakte zuführen muß, wobei
die Übergangswiderstände in die Messung eingehen.
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Es sind schließlich auch Drehschwingungsmesser bekannt, bei denen
ein Lichtstrahl von einer ortsfesten Lichtquelle mittels eines ortsfesten Umlenkspiegels
auf einen zweiten Spiegel fällt, der durch die Relativbewegungen zwischen der zu
prüfenden zelle und der mit dieser weich gekoppelten. mit gleichförmiger Geschwindigkeit
umlaufenden trägen Masse gesteuert wird; der von diesem zweiten Spiegel reflektierte
Strahl wird auf ein ortsfestes Anzeigemittel, und zwar eine Mattscheibe mit Skala
geworfen. Diese Einrichtung ist aber nicht dazu geeignet, beliebige Drehschwingungen
eines umlaufenden Körpers aufzuzeichnen, sondern nur periodisch gleichförmig verlaufende
Schwingungen, wie sie bei Kurbelwellen nur im Beharrungszustand auftreten, wobei
die Schwingungen stets eindeutig dem jeweiligen Kurbelwinkel zugeordnet sind, so
daß ein Polardiagramm auf einer feststehenden Anzeige- oder Aufzeichnungsfläche
aufgenommen werden kann.
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Dagegen soll durch die Einrichtung gemäß der Erfindung die Aufgabe
gelöst werden, den zeitlichen Verlauf sich beliebig ändernder Schwingungen mittels
eines Oszillographen anzuzeigen oder auf einer ablaufenden Schreibfläche aufzuzeichnen.
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Dies wird bei einer Einrichtung der bekannten Gattung, bei der mit
dem schwingenden Körper eine Schwungmasse so weich gekoppelt ist. daß sie den Verdrehungsschwingingen
nicht folgt. gemäß der Erfindung dadurch erreicht. daß mit den beiden umlaufenden
Körpern je eine Blende derart verhunden ist daß die beiden Blendenöffnungen sich
bei Verdrehungsschwingungen gegeneinander verschieben und das von der Lichtquelle
ausgehende Strahlenbündel über die Blendenöffnungen auf eine Photozelle fällt, deren
Photostrom einem Oszillographenmeßwerk zugeführt wird. Statt dessen kann auch mit
dem einen der beiden umlaufenden Körper eine Blende verbunden sein und der andere
der beiden umlaufenden Körper optische Mittel tragen, um ein Bild einer zweiten
Blende derart auf der ersten Blende zu erzeugen, daß sich das Blendenbild bei Verdrehungsschwingungen
auf der ersten Blende verschiebt und das von der Lichtquelle ausgehende Strahlenbündel
über die Blendenöffnungen unter Zwischenschaltung der optischen Mittel auf die Photozelle
fällt. Dabei kann die Lichtquelle zusammen mit der Photozelle an einem der beiden
umlaufenden Körper, vorzugsweise an der Schwungmasse, befestigt werden. Bei Benutzung
einer elektrischen Glühlampe als Lichtquelle kann man diese durch eine kleine Batterie
speisen, die ebenfalls an dem umlaufenden Körper befestigt ist, um den störenden
Einfluß von Ubergangswiderständen bei Verwendung von Schleifkontakten zu vermeiden,
wie sie bei Benutzung einer im Raum feststehenden Stromquelle zunächst erforderlich
wären.
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Zum Ableiten des Photostromes sind dann allerdings Schleifkontakte
erforderlich, jedoch kann der Widerstand im Stromkreis in diesem Fall im allgemeinen
so hoch gewählt werden, daß die Übergangswiderstände an den Schleifkontakten dagegen
verschwinden.
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Nian kann aber diese Schleifkontakte auch dadurch vermeiden, daß
das von der an dem einen der umlaufenden Körper befestigten Lichtquelle ausgehende
Strahlenbündel nach dem Durchtritt durch die Öffnungen der Blenden zu einer an demselben
umlaufenden Körper befestigten spiegelnden Fläche geleitet wird, die es in axialer
Richtung auf die im Raum feststehend angeordnete Photozelle wirft. Man kann auch
eine im Raum feststehende Lichtquelle verwenden, indem an einem der umlaufenden
Körper. vorzugsweise an der Sdwungmasse. mehrere spiegelnde Flächen so angeordnet
sind. daß ein von der im Raum feststehend angeordneten Lichtquelle in axialer Richtung
ausgehendes Lichtstrahlenbündel durch die Blendenöffnungen auf die Photozelle geworfen
n-ird.
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Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
in schematischer Darstellung.
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In den Fig. I und 2 ist eine Anordnung gemäß der Erfindung in zwei
Ansichten, teilweise im Schnitt. dargestellt. Um die Verdrehungsschwingungen einer
Welle 1 anzuzeigen oder aufzuzeichnen, ist auf diese ein Drehkörper 2 fest aufgesetzt,
der mit einer Vorrichtung zum Lagern einer Schwungmasse 3 versehen ist. Durch nicht
gezeichnete Federn ist diese mit der Welle so weich gekoppelt, daß sie mit dieser
umläuft, aber deren Verdrehungsschwingungen nicht mitmacht.
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Die topfartig gestaltete Schwungmasse 3 ist
mit einer
Deckscheibe 4 versehen, die in Fig. 1 nicht gezeichnet ist. An der Deckscheibe 4
sind nun eine Lichtquelle 5, eine Photozelle 6 und zwischen diesen eine Blende 7
befestigt, wobei in Fig. 2 die Befestigung an der Deckscheibe durch Striche schematisch
angedeutet ist. Gegenüber der Blende 7 ist eine zweite Blende 8 an dem mit der Welle
I verbundenen Drehkörper 2 befestigt.
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Wenn nun die Welle I Verdrehungsschwingungen ausführt, so verschieben
sich die Öffnungen der beiden Blenden 7 und 8 gegeneinander, so daß der Durchtrittsquerschnitt
entsprechend verändert wird. Dadurch verändert sich auch die auf die Photozelle
6 fallende Lichtmenge, so daß der entstehende Photostrom Schwankungen aufweist,
die den Verdrehungsschwingungen der Welle 1 entsprechen. Durch einen an die Photozelle
6 angeschlossenen nicht gezeichneten Oszillographen können somit die Verdrehungsschwingungen
der Welle aufgezeichnet werden.
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Bei der in Fig. 3 angedeuteten Ausführungsform ist auf der Schwungmasse
die Lichtquelle 5 sowie eine Linseg derart angeordnet, daß diese ein Bild einer
ebenfalls an der Schwungmasse befestigten Blende 7' auf einer an dem Drehkörper
2 vor der Photozelle 6 angeordneten Blende 8' entwirft. Wenn nun die Welle 1 Verdrehungsschwingungen
ausführt, so verschiebt sich die mit dieser verbundene Blende8' gegenüber dem durch
die Linse 9 von der Blende 7' entworfenen Bild, so daß ebenfalls den Verdrehungsschwingungen
entsprechende Schwankungen der die Photozelle 6 treffenden Lichtmenge entstehen
und die Aufzeichnungen der Photoströme durch einen Oszillographen den Verdrehungsschwingungen
entsprechen.
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Die Anordnung kann auch so abgeändert werden, daß die Lichtquelle
5, die Linseg und die von dieser abgebildete Blende 7' mit der Welle I verbunden
sind, während die zweite Blende 8' und. die Photozelle 6 an der Schwungmasse befestigt
sind. In Fig. 4 ist eine solche Anordnung schematisch dargestellt, wobei in dem
Strahlengang noch ein Umlenkspiegel IO vorgesehen ist.
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Die in Fig. 5 angedeutete Anordnung unterscheidet sich von der in
Fig. 4 dargestellten nur dadurch, daß mit der Welle I nur ein Ablenkspiegel IO'
verbunden ist, die übrigen Teile, also die Lichtquelle 5,-die Blende 7', die Linse
9, die Blende 8' und die Photozelle 6 aber an der Schwungmasse befestigt sind.
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Wenn die Welle nun Verdrehungsschwingungen ausführt, so dreht sich
entsprechend auch der Spieges IO' gegenüber dem von der Lichtquelle 5 ausgehenden
Strahlenbündel, und das von der Linse 9 erzeugte Bild der Blende 7' verschiebt sich
ebenfalls gegenüber der Offnung der die Photozelle 6 abdeckenden Blende 8', wodurch
die der Photozelle zugeführte Lichtmenge entsprechend geändert wird. Auch bei dieser
Anordnung könnten natürlich gewissermaßen die Welle und die Schwungmasse miteinander
vertauscht werden, indem der Umlenkspiegel IO' mit der Schwungmasse und die übrigen
Teile mit der Welle zu verbinden wären.
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In Fig. 6 ist eine Anordnung schematisch dargestellt, die sich der
in Fig. I angedeuteten anschließt, jedoch ist die Photozelle6 im Raum fest angeordnet,
und das von der Lichtquelle 5 ausgehende Strahlenbündel wird nach dem Durchtritt
durch die Öffnungen der Blenden 7 und 8 zu einem Spiegel ii geleitet, der es in
axialer Richtung auf die Photozelle 6 wirft. Zum Durchtritt der Lichtstrahlen ist
in der Abdeckscheibe 4 für die Schwungmasse eine axiale Öffnung vorgesehen.
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Die Fig. 7 bis IO zeigen zwei Ausführungsbeispiele einer Einrichtung
gemäß der Erfindung in je einer Ansicht mit abgenommener Abdeckscheibe 4 und einem
Mittelschnitt, wobei nicht nur die Photozelle, sondern auch die Lichtquelle im Raum
fest angeordnet ist, so daß keinerlei Zuführungen über Schleifkontakte erforderlich
sind. Dabei sind die zu benutzenden optischen Mittel schematisch angedeutet. Bei
der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform wird eine Anordnung mit verschiebbaren
Blenden entsprechend Fig. 2 und 6 benutzt, während der Ausführungsform nach den
Fig. g und IO die schematisch in Fig. 5 angedeutete Anordnung mit beweglichem Spiegel
zugrunde liegt.
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In beiden Fällen sind die optischen Mittel so angeordnet, daß das
von der Lichtquelle 5 in axialer Richtung ausgehende und das in axialer Richtung
der Photozelle 6 zuzuleitende Lichtstrahlenbündel koaxial geführt sind. Zu diesem
Zweck sind an der Schwungmasse zwei Spiegel 12 und I3, von denen der eine den anderen
ringförmig umgibt, in der Drehachse derart gekreuzt angeordnet, daß sie das von
der Lichtquelle 5 ausgehende und das zu der Photozelle 6 geleitete Lichtstrahlenbündel
in verschiedenen Richtungen radial ablenken.
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Auf dem Wege der Lichtstrahlen von der Lichtquelle 5 zu dem Ringspiegel
12 sind eine im mittleren Teil abgeblendete Beleuchtungslinse 14 und eine Zwischenlinse
15 angeordnet, wobei die Lichtquelle 5 mittels der Linse 14 auf der Zwischenlinse
15 und der nicht abgeblendete ringförmige Teil der Beleuchtungslinse 14 auf dem
Ringspiegel 12 abgebildet werden. Die beiden an der Abdeckscheibe 4 befestigten
Spiegel I2 und I3 sind um je 45° gegen die Achsenrichtung in der Weise geneigt,
daß axial verlaufende Lichtstrahlen
radial in entgegengesetzter
Richtung abgelenkt werden. Zwischen der Linse 15 und dem Spiegel 13 ist ein ebenfalls
unter 45 gegen die Achsenrichtung geneigter Spiegel I6 derart angeordnet, daß ein
axial von dem Spiegel I3 ausgehendes Lichtstrahlenbündel die seitlich angeordnete
Photozelle 6 trifft. Das von der Lichtquelle 5 axial ausgehende Strahlenbündel,
das infolge der Abdeckung der Linse I4 einen ringförmigen Querschnitt hat und von
dem Ringspiegl 12 in radialer Richtung abgelenkt wird, trifft auf eine an der Abdeckscheibe
4 befestigte Linse 17, die ein Bild der Linse 15 im Punkt IS erzeugt. Andererseits
wird ein dem Punkt in symmetrisch gegenüberliegender Punkt 19 mittels einer ebenfalls
an der Abdeckscheibe 4 befestigten Linse 20 über den Spiegel 13 auf dem Spiegel
16 abgebildet, und das Licht fällt von dort auf die Photozelle 6.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 und S fällt nun das von dem
Punkt in ausgehende Lichtstrahlenbündel durch die Offnungen der beiden sich bei
den Drehschwingungen gegeneinander verschiebenden, an dem Drehkörper 2 bzw. an der
Abdeckscheibe 4 befestigten Blenden 8 und 7 und wird über vier entsprechend geneigte
Umlenkspiegel 21 bis 24 so geführt, daß es nach dem Durchtritt durch die Öffnungen
zweier symmetrisch zu den Blenden S und 7 angeordneter Blenden 7' und S' in radialer
Richtung zu dem Punkt 19 gelangt. Dabei ist zwischen den Umlenkspiegeln 22 und 23
ein Objektiv (eine sogenannte Feldlinse) 25 angeordnet, das die Blenden 7, 8 auf
den Blenden 8', 7' abbildet.
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Vor der Blende 8 ist noch eine Linse 26 vorgesehen. die den Punkt
IS auf dem Objektiv 25 abbildet, sowie eine symmetrisch dazu hinter der Blende S'
angeordnete Linse 2/.
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Wenn nun die Welle 1 Verdrehungsschwingungen ausführt, so verschieben
sich die Blenden S und S' in gleichem Maße gegenüber den Blenden 7 bzw. 7', so daß
die auf die Photozelle 6 fallende Lichtmenge der Schwingungsweite entspricht. Infolgedessen
können die \'erdrehungsschlvingungen durch einen an die Photozelle, vorzugsweise
über einen Ver stärker angeschlossenen Oszillographen angezeigt oder aufgezeichnet
werden.
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Bei dem in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
das von der Lichtquelle 5 ausgehende Strahlenbündel nach dem Durchtritt durch die
Öffnung einer an der Schwungmasse befestigten Eintrittsblende 30 durch ebenfalls
an der Schwungmasse befestigte spiegelnde Flächen 31 bis 36 unter Zwischenschaltung
mindestens einer an dem schwingenden Körper befestigten spiegelnden Fläche 2S. 29
so abgelenkt, daß es nach dem Durchtritt durch die Öffnung einer ebenfalls an der
Schwungmasse befestigten Austrittsblende 37 der Photozelle 6 zugeleitet wird. Im
Ausführungsbeispiel ist eine zweimalige Ablenkung des Lichtstrahlenbündels mittels
zweier an dem Drehkörper 2 befestigter Ablenkspiegel 2s und 29 vorgesehen.
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Der Weg der Lichtstrahlen von dem Punkt t8 führt über die an der
Abdeckscheibe 4 befestigte Eintrittsblende 30 und zwei an der Abdeckscheibe 4 befestigte
Umlenkspiegel 31, 32 ZU dem an dem Drehkörper 2 befestigten Ablenkspiegel 28, weiter
über zwei an der Abdeckscheibe 4 befestigte Umlenkspiegel 33 und 34 zu dem zweiten
an dem Drehkörper 2 befestigten Ablenkspiegel 29 und weiter über zwei an der Abdeckscheibe
4 befestigte Umlenkspiegel 35, 36 durch die an der Abdeckscheibe 4 befestigte Austrittsblende
37 zu dem Punkt 19. Dabei sind ebenso wie bei der Anordnung nach Fig. 7 und 8 Linsen
26 und 27 vor bzw. hinter der Ein- bzw. Austrittsblende vorgesehen sowie ein Objektiv
(Feldlinse) 25 zwischen den Umlenkspiegeln 33 und 34, das die Eintrittsblende 30
auf der Austrittsblende 37 abbildet.
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Die zweimalige Ablenkung des Lichtstrahlenbündels an den Spiegeln
28 und 29 hat, wie an sich bekannt, den Vorteil, daß die Verschiebung des Blendenbildes
bei gleicher Schwingungsweite gegenüber der Ablenkung an einem einzigen Spiegel
nach Fig. 5 verdoppelt wird. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil die Weite
der Welleuschwingungen gegenüber der Schwungmasse in der Regel sehr klein ist.