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Verfahren und Vorrichtung zum Auswuchten von Rotationskörpern, bei
denen die Größe und Lage der Unwucht aus den Schwingungen des rotierenden Wuchtkörpers
ermittelt wird Alle sich um eine körperfeste Achse drehenden Körper, wie z. B. Schwungräder,
Turbinenläufer usw., sind mit einer restlichen Unwucht statischen oder dynamischen
Charakters behaftet. Insbesondere bei sehr schnell rotierenden Körpern werden die
durch die Unwucht hervorgerufenen, periodisch auf die Lager wirkenden Kräfte sehr
groß, da sie mit dem Quadrat der Drehzahl des Rotors anwachsen.
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Um die Betriebssicherheit und auch die Lebensdauer derartiger Maschinenelemente
weitgehend hochzuschrauben, ist eine Auswuchtung des Rotors mit einer größtmöglichen
Empfindlichkeit erfordersich.
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Bei den bisher meist gebräuchlichen Auswuchtverfahren wird der auszuwuchtende
Kreiselkörper in einem Schwingrahmen gelagert, der im allgemeinen nur um eine Achse
Drehschwingungen ausführen kann. Die Empfindlichkeit einer derartigen Auswuchtmaschine
ist jedoch auch in ihrer Resonanzstelle durchaus begrenzt und für eine Feinwuchtung
ohne Zuhilfenahme elektrischerAnzeigegeräte, wie z. B. Oszillographen, Verstärker
usw., unbrauchbar. Zur Steigerung der Empfindlichkeit wurden bereits Auswuchtmaschinen
mit zwei Freiheitsgraden entwickelt, bei denen der Schwingrahmen einen Freiheitsgrad
der Translation und einen Freiheitsgrad der Rotation besitzt. Aber auch in diesem
Fall sind bei einer Feinwuchtung elektrische Anzeigegeräte nicht zu umgehen. Ferner
sind auch noch Auswuchtmaschinen bekannt, in denen der Wuchtkörper um zwei oder
audl um drei und mehr verschiedene Achsen Drehschwingungen ausfüihren kann. Diese
Auswuchtmaschinen wurden jedoch -entwickelt, um fertig zusammengebaute
Maschinen
auswuchten zu können, da bei diesen je nach ihrer Konstruktion um etliche voneinande'r
verschiedene Achsen Unwuchtmomente bzw. -kräfte auftreten können.
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Bei der hier vorliegenden Auswuchtmaschine ist eine sehr große Empfindlichkeit
auf rein mechanischem Wege dadurch erzielt worden, daß die durch die Unwucht angeregte
Nutationsbewegung des Wuchtkörpers für den ;Auswuchtvorgang nutzbar gemacht wird.
Dies geschieht dadurch, daß der Wuchtkörper um zwei senkrecht zueinander stehende
Achsen, die ebenfalls senkrecht zur Figurenachse stehen, Drehschwingungen ausfiihren
kann.
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Hierbei ist es gleichgültig, ob die beiden zuerst erwähnten Achsen
raumfest sind, oder ihrerseits auch noch Translationsschwingungen ausführen können.
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Die Abbildung gibt einen schematischen Überblick der Auswuchtanordnung
wieder. Der Wuchtkörper I rotiert in den Lagern 2 und 3 um seine Figurenachse. Beide
Lager sind mit Hilfe von Rückführfedern 4 vollkommen elastisch gefesselt.
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Bei beliebiger Wahl der Federkonstanten der Rückführfedern wird der
rotierende Wuchtkörper unter dem Einfluß der Unwuchten Drehschwingungen und Translationsschwingungen
ausführen, die sich bei relativ kleinen Auslenkungen praktisch aus je zwei. senkrecht
zueinanderstehenden Komponenten zusammensetzen lassen. Es sei nun angenommen, daß
sich durch die Wahl der Federkonstanten die Drehschwingungen einerseits aus einer
Komponente um die in der Abb. I angegebene xz Achse und andererseits aus einer Komponente
um die y -Achse zusammensetzen. Ganz allgemein wird dann der Punkt Ca auch noch
Schwingungen in der y,- und der Punkt Cp Schwingungen in der xp -Richtung ausführen.
Infolgedessen wird der Wuchtkörper mit langsam steigender Drehzahl im allgemeinsten
Fall nacheinander vierResonanzstellen durchlaufen, die alle von der dem Wuchtkörper
anhaftenden Unwucht angeregt werden. Von besonderem Interesse ist hierbei die in
der Kreiseltheorie als Nutation bezeichnete Resonanz. Die Nutationsfrequenz ist
dabei stets größer als die Eigenfrequenz des nicht um seine Figurenachse rotierenden
Wuchtkörpers um die x oder yS-Achse und kann bei entsprechender Wahl des Verhältnisses
des Trägheitsmomentes um die Figurenachse zum Trägheitsmoment um die Achse mit der
jeweils höheren Eigenfrequenz in eine beliebig hohe Drehzahl, u. a. auch in die
Betriebsdrehzahl des Wuchtkörpers gelegt werden, sofern der Wuchtkörper ein abgeplattetes,
ein kugelsymmetrisches oder auch ein schwach verlängertes Trägheitsellipsoid besitzt.
Die Empfindlichkeit dieser Auswuchtmaschine steigt in der Nutation proportional
mit der Nutationsfrequenz an. Außerdem wächst bei konstant gehaltener geschwindigkeitsproportionaler
Dämpfung das Verhältnis der Halbwertsbreite zur Nutationsfrequenz proportional mit
der letzteren an, so daß sich imAuswuchtbetrieb kleine Drehzahländerungen um die
Resonanzdrehzahl in der Größe der durch die Unwucht verursachten Auslenkungen des
Wuchtkörpers praktisch nicht bemerkbar machen.
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Das bedeutet, daß unter Ausnutzung der Nutation des Wuchtkörpers
eine Auswuchtung I. in der Betriebsdrehzahl des Wuchtkörpers vorgenommen werden
kann, 2. in diese Betriebsdrehzahl eine Resonanz einer durch die Unwuchten hervorgerufenen
Schwingung gelegt werden kann und 3. die Halbwertsbreite dieser Resonanz groß gegen
kleine Drehzahlschwankungen um die Betriebs drehzahl des Wuchtkörpers ist.
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Eine unter diesen Bedingungen vorgenommene Auswuchtung genügt aber
den höchsten technischen Ansprüchen.
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Die eben erwähnten Vorteile einer Nutationsauswuchtung bleiben auch
dann noch bestehen, wenn die Federkonstanten in einer x- undloder y-Achse unendlich
groß gewählt werden. Auch ist es gleichgültig, ob die Rückführfedern oder die auf
den Wuchtkörper wirksamen Kraftkomponenten wirklich, wie in der Abb. I gezeigt,
in einer Ebene angreifen oder nicht. Die jeweils zusammengehörigen xl- und yi-Achsen
brauchen sich also durchaus nicht in einem Punkte zu schneiden.
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Bei einem Unwuchtkompensationsverfahren erfolgt die Kompensation
der Unwucht durch synchron mit dem Wuchtkörper umlaufende Kräfte, die auf mechanischem
Wege beispielsweise dber Federn oder auf magnetischem bzw. elektromechanischem Wege
auf den Wuchtkörper übertragen werden. Diese Kräfte können entweder als direkt rotierende
Kräfte, z. B. durch Zentrifugalkräfte, oder auch aus zwei örtlich und zeitlich um
go°i verschobenen Wechselkräften erzeugt werden, die z. B. in der x und y-Richtung
wirken.
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Bei einem reinen Unwuchtmeßverfahren gibt die Größe der Ausschläge
des Wuchtkörpers bzw. seiner Lagerung ein Maß für die Größe der Unwucht an.
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Werden die Federkonstanten an einer Seite der Wuchtkörperlagerung,
z. B. am Lager 2, unendlich groß gewählt, so besitzt die Auswuchtmaschine nur noch
zwei Freiheitsgrade der Rotation, und zwar den einen um die xi und den anderen um
die Achse. Die diesen beiden Freiheitsgraden entsprechenden Eigenfrequenzen des
um seine Figurenachse rotierenden Wuchtkörpers werden in der Kreiseltheorie als
Präzession und Nutation bezeichnet. Beide werden sowohl durch die dem Wuchtkörper
anhaftende statische als auch dynamische Unwucht angeregt. Die Auswuchtung erfolgt
durch getrennte direkte oder indirekte Bestimmung der Unwuchtkräfte in den beiden
Ausgleichsebenen.
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Jedoch sind bei dieser Versuchsanordnung die oben angeführten Vorteile
einer Nutationsauswuchtung nur auf Wuchtkörper mit einem sehr stark abgeplatteten
Trägheitsellipsoid anwendbar.
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Sind dagegen alle Unterstützungspunkte des Wuchtkörpers elastisch
gefesselt, so besitzt die Auswuchtmaschine noch weitere Freiheitsgrade.
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Eine dem Wuchtkörper anhaftende~ statische Unwucht regt den Federkonstanten
der Rückführfedern entsprechend entweder reine Translationsschwingungen in der x-
und/oder y-Ebene, oder Drehschwingungen um Achsen, die außerhalb der
Unterstützungspullkte
senkrecht zur -Achse verlaufen, an.
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Die Messung der statischen Unwucht erfolgt am einfachsten durch automatische
oder rechnerische Summation der Auslenkungen sämtlicher oder einzelner Unterstützungspunkte
des Wuchtkörpers in einer oder mehreren in der nächste verlaufenden oder ihr parallel
verschobenen Ebene(n) bzw.
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Fläche(n).
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Die dem Wuclltlkörper anhaftende dynamische Unwucht erzeugt u. a.
ein mit dem Wuchtkörper rotierendes Moment, welches mit gleich großen Kräften entgegengesetzter
Phase auf die beidseitigen Unterstützungspunkte wirkt. Dadurch werden Drehschwingungen
des Wuchtkörpers um zwei zwischen den zugehörigen Unterstützungspunkten liegenden,
senkrecht zur -Achse verlaufende Achsen pa und y, hervorgerufen.
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Durch ein- oder auch beidseitige Variierung der Federkonstanten lassen
sich beide Achsen einzeln oder auch gleichzeitig in weiten Grenzen parallel zu sich
selbst verschieben, wodurch bei passender Wahl des bereits erwähnten Verhältnisses
der Trägheitsmomente die Nutationsfrequenz in die gewünscht Drehzahl gelegt werden
kann.
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Die Messung der dynamischen Unwucht erfolgt ähnlich wie die der statischen,
nur wird jetzt an Stelle der Summe die Differenz der beidseitigen Ausschläge gemessen.
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Bei Unwuchtkompensationsverfahren werden die Beträge der Ausgleichskräfte
und ihre Phase dem Wuchtkörper gegenüber so lange variiert, bis die Summe oder Differenz
der beidseitigen Ausschläge ein Minimum aufweist bzw. den Wert Null erreicht hat.
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PATENTANSPROCHE: I. Verfahren zum Auswuchten von Rotationskörpern,
bei denen die Größe und Lage der Unwucht aus den Schwingungen des rotierenden Wuchtkörpers
ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswuchtung in der Nutation des
Wuchtkörpers vorgenommen wird, wobei durch Veränderung der Trägheitsmomente aller
oder einzelner schwingender Teile der Auswuchtmaschine oder durch eine Verlagerung
des Wuchtkörpers in der Aus wucht maschine oder auch durchVariierung der Federkonstanten
einzelner oder mehrerer Rückführfedern, an denen der Wuchtkörper mindestens um zwei
Freiheitsgrade der Rotation elastisch gefesselt ist, oder durch Verschiebung aller
oder einzelner Unterstützungspunkte des Wuchtkörpers in der Auswuchtmaschine oder
auch durch eine beliebige Kombination der eben beschriebenen Möglichkeiten, das
die Nutationsfrequenz bestimmende Verhältnis der Trägheitsmomente derart eingestellt
wird, daß die Nutation bei der gewünschten Wuchtkörperdrehzahl auftritt.