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Verfahren zur Ermittlung der Lage von Unwuchten umlaufender Körper
unter Verwendung eines mit dessen Lagerung verbundenen
Die bisher bekanntgewordenen
Auswuchteinrichtungen benutzen die durch die Unwuchten hervorgerufenen Schwingungen
als Ausgangspunkt für die Bestimmung der Größe und Phasenlage der Unwucht. Da diese
Schwingungen sehr klein sind, erfordern sie sämtlich eine Vergrößerung der Maßwerte
dieser Ausschläge, um sie für die Auswertung ausnutzen zu können. Zu diesem Zweck
werden Auswuchtmaschinen verwendet, wobei die Lagerung des auszuwuchtenden Körpers
abweichend von der Lagerung, in der der Körper später umlaufen soll, verhältnismäßig
weichfedernd ausgeführt ist. In diesem Fall wird der umlaufende Körper mit einer
solchen Drehzahl betrieben, daß er zusammen mit der federnden Lagerung in Resonanzschwingungen
gerät und daher auch bei der kleinen von der Unwucht herrührenden Kraft zu großen
Ausschlägen aufgeschaukelt wird. Diese Auswuchteinrichtung hat den Nachteil, daß
man den Körper nicht in seiner eigenen fertigen Lagerung bzw. Maschine und auch
in der Sondereinrichtung allgemein nicht bei seiner Betriebsdrehzahl auswuchten
kann. Dazu müßte man die Elastizitätskonstante der Lagerung kontinuierlich ändern
können, um das aus Wuchtkörper und Lagerung bestehende System stets passend abzustimmen.
Die Erfüllung dieser Forderung würde einen im allgemeinen unerträglichen Aufwand
bedingen. Wuchten bei Betriebsdrehzahl
ist aber wichtig, da jeder
Wuchtkörper elastischen Formänderungen infolge der örtlichen Unwuchten unterliegt
und daher insbesondere bei großen Umlaufkörpern der Wuchtausgleich jeweils nur bei
einer bestimmten Drehzahl erreicht werden kann.
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Bei einer weiterhin bekanntgewordenen Auswuchteinrichtung erzeugen
die kleinen Unwuchtschwingungen mittels elektrischer Schwingungsmeßgeräte einen
elektrischen Maß wert, der auf elektrischem Wege beliebig stark vergrößert werden
und für das weitere Verfahren zur Bestimmung der Größe und Phase der Unwucht benutzt
werden kann. Geräte dieser Art besitzen jedoch einen schwerwiegenden Nachteil, der
darauf zurückzuführen ist, daß sie der zugrunde liegenden Absicht zufolge schon
auf sehr kleine Schwingungen ansprechen müssen. Im elektrischen Bild erscheinen
nämlich auch alle diejenigen Schwingungen, die am Benutzungsort der Geräte vorhanden
sind, stich wenn sie mit der zu untersuchenden Unwucht nichts zu tun haben. Von
benachbarten Maschinen herrührende Schwingungen stören hierbei besonders stark.
Da bei diesen Geräten vielfach die Empfindlichkeit geschwindigkeitsproportional
ist, sprechen sie auf hohe Frequenzen oft um ein Vielfaches stärker als auf tiefe
an. Das hat zur Folge, daß im elektrischen Bild die im allgemeinen niedrigfrequenten
Unwuchtschwingungen unter dem allgemeinen Störpegel verschwinden. Auf alle Fälle
geht die Meßgenauigkeit in der Nähe der besten Auswuchtung außerordentlich zurück,
bei der die Unwuchtschwingungen sich der Grenze Null nähern.
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Bei einer dritten Art von Wuchteinrichtungen wird ein mit einem Schreibwerk
verbundenes Hilfsschwingungsgebiide als Anzeigegerät benutzt, das in Resonanz betrieben
wird, damit es auf die vorhandenen, von der Unwucht herrührenden kleinen Schwingungen
mit sehr großen eigenenAusschlägen anspricht.
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Die Schwingungen des in Resonanz kommenden Gebildes werden jedoch
durch das Schreibwerk so stark gestört, daß eine ausreichend genaue Feststellung
des Wuchtfehlers nicht möglich ist. Es wurde daher vorgeschlagen, das Hilfsschwingungsgebilde
frei schwingen zu lassen, um die Unwuchtgröße zu bestimmen.
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Auch dieses Verfahren besitzt jedoch einen großen Mangel. Aus der
Theorie der Schwingungen ergibt sich, daß ein in Resonanz erregtes, dämpfungsfreies
System unendlich große Ausschläge machen würde. Da im praktischen Maschinenbau nur
endliche Ausschläge auftreten dürfen und naturgemäß auch nur solche erreicht werden,
muß das Anzeigesystem immer eine gewisse Dämpfung haben, die das Unendlichwerden
des Ausschlags verhindert. Jedes gedämpfte System ändert aber in der Nähe der Resonanz
die Phasenlage außerordentlich schnell. Insbesondere erreicht es die größten Ausschläge
bei einer Frequenz co, l, die unterhalb derjenigen Frequenz w, liegt, bei der zwischen
Ausschlag und erregender Kraft die Phasenverschiebung go0 eintritt. Vor allem schwach
gedämpfte Systeme ändern ihre Schwingungsphase in der Nähe von Q) a und o>o stark.
Nun soll aber bei der vorgeschlagenen Auswuchtvorrichtung das Hilfsschwingungsgebilde
einen großen Ausschlag im Verhältnis zu den vorhandenen Unwuchtschwingungen des
umlaufenden Körpers machen, um eine deutliche Anzeige zu erreichen. Außerdem soll
das Hilfsschwingungsgebilde durch seine Rückwirkung auf den Wuchtkörper diesen praktisch
zur Ruhe bringen. Nach den bekannten Gesetzen des sogena5nnten Resonanz-Schwingungsdämpfers
können diese beiden Forderungen nur erreicht werden, wenn als Anzeigesystem sehr
schwach gedämpfte Systeme verwendet werden. Aus diesem Grund handelt es sich bei
dem Vorschlag um ein sehr schwach gedämpftes Anzeigesystem. Es ändert sich daher
der Winkel zwischen dem Ausschlag und der erregenden Kraft in der Nachbarschaft
von coO sehr rasch. Die Beobachtung der Unwuchtphase mit Einrichtungen der vorgeschlagenen
Art ist daher mit einer verhältnismäßig großen Ungenauigkeit behaftet. Denn eine
geringfügige Falscheinstellung des Hilfsschwingers bedingt, daß er bei der Unwuchtdrehzahl
nicht mit seinem Wo betrieben wird.
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Seine Phase ist dann nicht gdO; wie sie vorausgesetzt wird. Der Fehler
zeigt sich erst beim folgenden Lauf dadurch, daß die daraus abgeleitete Ausgleichmasse
nicht die erwartete Verbesserung bringt. Das erfordert die mehrmalige Wiederholung
des Verfahrens, wobei der Enderfolg trotz der zeitraubenden Wiederholung vom Zufall
abhängt. Auch die im allgemeinen und insbesondere beim Auswuchten von zusammengebauten
Maschinen am Aufstellungsort unvermeidlichen, z. B. durch Netzspannungsschwankungen
bei elektrischen Maschinen bedingten kleinen Drehzahlschwankungen führen zu demselben
Fehler. Dasselbe gilt von der Beurteilung der Unwuchtgröße. Einerseits ist das Übersetzungsverhältnis
zwischen Ausschlag des Anzeigesystems und Läuferunwucht besonders bei kleinen Dämpfungen
von unvermeidlichen Änderungen dieser Dämpfung besonders stark abhängig; andererseits
ist die Resonanzspitze sehr schmal und daher der Abfall rechts und links der Spitze
sehr steil, so daß wiederum kleine Abweichungen der Meßfrequenz von Wa, bzw. ooO
große Ausschlagänderungen zur Folge haben und daher relativ große Fehler in der
Messung verursachen.
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Nach der Erfindung werden die Mängel aller erwähnten, Auswuchtverfahren
beseitigt, indem die Schwingungsgeschwindigkeit des Hilfsschwingungsgebildes auf
einen Höchstwert eingeregelt wird. Die Schwingungsgeschwindigkeit ist nämlich dann
ein Maximum, wenn die Frequenz w, vorhanden ist, so daß nunmehr zwischen dem Ausschlag
und der erregenden Kraft, also der Unwucht, genau eine Phasenverschiebung von 900
erzielt wird. Besonders zweckmäßig ist es, zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ein Hilfsschwingungsgebilde mit einer Saite zu verwenden, deren Zugspannung,
zweckmäßig während des Betriebes, einstellbar ist. Vorteilhaft ist es, eine Saite
aus einem elektrisch leitenden Stoff zu
verwenden, diese in einem
Magnetfeld anzuordnen und mit einem elektrischen Meßgerät zu verbinden.
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Dann kann die schwingende Saite und der Umlauf des auszuwuchtenden
Körpers gleichzeitig mit einem Stroboskop beobachtet werden. Zur Durchführung des
Verfahrens nach der Erfindung kann auch ein Hilfsschwingungsgebilde verwendet werden,
das einen Geber zur Umwandlung der mechanischen, von der Unwucht herrührenden Schwingungen
in der Schwingungsgeschwindigkeit proportionale elektrische Schwingungen, eine in
den elektrischen Geberkreis eingeschaltete Widerstandskombination, z. B. einen Siebkreis,
mit zweckmäßig durch Änderung der Kapazität regelbarer Durchlaß- bzw. Resonanzfrequenz
und ein ebenfalls in den elektrischen Kreis des Gebers hinter der Widerstandskombination
eingeschaltetes elektrisches Meßgerät besitzt. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig
sein, einen Geber zur Umwandlung der mechanischen, von der Unwucht herrührenden
Schwingungen in der Schwingungsgeschwindigkeit proportionale elektrische Schwingungen
vorzusehen, dessen die Schwingungen der Lagerung aufnehmender Magnet mit der induzierten
Spule durch Membranen mit zweckmäßig während des Laufes einstellbarer Spannung in
Verbindung stehen. Mit den drei zuletzt beschriebenen Einrichtungen kann nun in
der Weise ausgewuchtet werden, daß der Umlauf des auszuwuchtenden Körpers und die
im elektrischen Geberkreis vorhandene, mittels eines Oszillographen oder einer Glimmlampe
sichtbar gemachte Schwingung gleichzeitig stroskopisch beobachtet werden. Es besteht
auch die Möglichkeit, die auf Höchstausschlag im elektrischen Meßgerät eingeregelte
Spannung im elektrischen Geberkreis und eine von der augenblicklichen Lage im Raum
und der Drehzahl des umlaufenden Körpers abhängige Spannung miteinander zu vergleichen.
Das kann zweckmäßig in der Weise geschehen, daß die von der Raumlage und der Drehzahl
des umlaufenden Körpers abhängige Spannung in den elektrischen Geberkreis eingeschaltet
und so lange geregelt wird, bis das elektrische Meßgerät einen Höchstausschlag zeigt.
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Die Erfindung ist an Hand der Fig. I bis 5 der Zeichnung beispielsweise
beschrieben. Die Fig. I und 2 zeigen dabei eine Einrichtung mit einem Hilfsschwingungsgebilde,
das eine Saite mit einer während des Auswuchtens einstellbaren Spannung besitzt.
Dabei ist mit I das Stirnende der Welle des auszuwuchtenden umlaufenden Körpers
und mit 2 ein Lager bezeichnet, an das ein als Geber dienendes Hilfsschwingungsgebilde
3 zur Aufnahme der Unwuchtschwingungen angelegt ist.
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Dieses besitzt einen Magneten 4, der als Dauermagnet oder als Elektromagnet
ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Fall ist zur Erregung des Magneten 4 eine
Wicklung 5 vorgesehen. In dem Luftspalt 6 des Magneten kann eine Saite 7 schwingen,
deren Spannung erfindungsgemäß, z. B. durch die Schraube8, einstellbar ist. Wird
das Lager 2 beim Umlauf der Welle in Schwingungen versetzt, so werden diese auf
das Gerät 3 iibertragen, so daß die Saite 7 zu schwingen beginnt. Erfindungsgemäß
wird die Schwingungsgeschwindigkeit der Saite auf einen Höchstwert eingeregelt.
Das geschieht im vorliegenden Fall unter Zuhilfenahme des mit den Leitern g und
10 an die aus elektrisch leitendem Stoff hergestellte Saite angeschlossenen elektrischen
Meßgerätes 11. An diesem wird durch Verstellung der Spannung der Saite 7 durch die
Schraube 8 ein Höchstausschlag eingeregelt. Ist dieser erreicht, dann schwingt die
Saite mit dem Höchstwert der Schwingungsgeschwindigkeit. Es ist also die Frequenz
coO erreicht, so daß zwischen Schwingungsausschlag und erregender Kraft, also der
Unwucht, genau ein Phasenwinkel von 900 vorhanden ist. Zur Feststellung der Lage
der Unwucht ist noch eine Zusatzeinrichtung erforderlich. Eine solche ist im folgenden
beispielsweise angegeben. An die Stirnseite I der sich entgegen dem Uhrzeigersinn
gemäß Pfeil I2 drehenden Welle ist ein Anzeiger I3 mittels eines Körners 14 angesetzt
und wird daher entsprechend der Drehzahl der Welle in Umdrehungen versetzt. Der
Anzeiger baut sich aus einem mit dem Körner 14 über die Welle 15 verbundenen Läufer
und einem Magneten 17 auf.
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Der Läufer I6 trägt eine Wicklung I8, deren Enden mit den auf der
gleichen Welle 15 sitzenden Schleifringen 19 bzw. 20 elektrisch verbunden sind.
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Der Magnet I7 könnte auch umlaufend und die Wicklung I8 feststehend
angeordnet werden. Zwei am Läufer I8 bzw. Magneten I7 angebrachte Marken 24 bzw.
25 bezeichnen durch ihr Zusammenfallen diejenige Relativlage zwischen Läufer und
Magneten, bei der in der Spule 1g der Höchstwert der Spannung eintritt, also die
Stellung, bei der Spulenrichtung und Feldrichtung senkrecht aufeinander stehen.
Mit Hilfe des angedeuteten Gerätes gelingt es, eine der Drehzahl des umlaufenden
Körpers entsprechende Wechselspannung zu erzeugen. Wird diese Spannung durch Schließung
des Schalters 2I und Offnung des Schalters 22 in den elektrischen Kreis des Gebers
in der dargestellten Weise eingeschaltet, so gelingt es, die Lage der Unwucht festzustellen.
Es ist nur erforderlich, den Magneten I7 so lange um die Achse 15 zu drehen, bis
der höchste Ausschlag am Meßgerät II ablesbar ist. Das ist ohne weiteres verständlich,
wenn gleichzeitig die Darstellung der Spannungskurven in Fig. 3 beachtet wird. Dabei
stellt die Kurve g den Spannungsverlauf der Grundwelle im Geberkreise und die Kurve
a die vom Anzeiger gelieferte Spannung dar. Befinden sich nach Einstellung des Magneten
17 diese beiden Spannungen in Phase, so ist der resultierende Gesamtwert r der beiden
Spannungskurven ein Maximalwert. Aus der Lage des Magneten 17 kann dann ohne Schwierigkeiten
auf die räumliche Lage der Unwucht geschlossen werden. Der Läufer wird stillgesetzt,
während der Magnet 17 in seiner Lage festgehalten wird, was an der Stellung des
Zeigers 23 nachprüfbar ist. Dann wird der Läufer so gedreht, daß die Marke 24 auf
die Marke 25 einspielt. In dieser Läuferstellung befindet sich dann die Unwucht
26 in der Horizontalebene links von der Wellenmitte, d. h. das fehlende
Ausgleichsgewicht
ist in der waagerechten Axialebene rechts von der Wellenmitte einzusetzen. Das ist
ohne weiteres klar, wenn folgender Zusammenhang beachtet wird: Durchläuft die Unwucht
26 die Horizontalebene, dann schwingt das Lager 2 im selben Augenblick durch seine
Gleichgewichtslage hindurch, hat also das Maximum der Schwingungsgeschwindigkeit
nach unten gerichtet. Infolgedessen wird in der Saite 7 in diesem Augenblick ein
Höchstwert der Spannung erzeugt. In der Darstellung nach Fig. 3 durchläuft also
die Grundwelle g in diesem Zeitpunkt ihren Höchstwert g.
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Der Magnet 17 wurde so lange gedreht, bis das Anzeigegerät II einen
Höchstwert der Gesamtspannung r anzeigte. Das ist aber nur dann der Fall, wenn,
wie in Fig. 3 gezeichnet, die Spannungswelle a des Anzeigers I3 phasengleich mit
der des Gebers 3 verläuft. Sie muß also in dem herausgegriffenen Zeitpunkt ebenfalls
gerade ihren Höchstwert a, durchlaufen. Das tritt in dem Augenblick ein, in dem
die Hauptrichtung der Spule 18 des Anzeigers 13 senkrecht zur Hauptfeldrichtung
des Magneten I7 steht. Diese Relativlage ist durch das Zusammenfallen der mit der
Spule I8 mit umlaufenden Marke 24 mit der am Magneten 17 festangebrachten Marke
25 gekennzeichnet. Hält man jetzt den Magneten I7 in dieser Lage fest, was an der
Stellung des Zeigers 23 nachprüfbar ist, setzt den Läufer still und dreht ihn nach
eingetretenem Stillstand so weit, daß die Marken 24 und 25 aufeinanderfallen, dann
ist dies eine Stellung des Läufers, bei der die Unwucht in der Horizontalebene liegt.
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In der in Fig. I dargestellten Einrichtung wurde angenommen, daß
bei dem vorliegenden Wickelsinn der Spulen 5 und I8, bestimmten Anschlüssen der
Saite 7 und der vorliegenden Polarität des Magneten I7 das positive Maximum der
Spannungen g und a dann eintritt, wenn das Lager von oben nach unten schwingt. Daher
befindet sich bei dem eingezeichneten Drehsinn die Unwucht bei der nach der Durchführung
der Messung eingestellten Lage des Wuchtkörpers links vom Wellenmittelpunkt.
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Das Ausgleichsgewicht ist also in dieser Stellung rechts vom Wellenmittelpunkt
einzusetzen. Hätte man die Polarität des Magneten I7, den Wickelsinn einer der Spulen
5 bzw. I8, die Einschaltung der Saite 7, die Anschlüsse an den Schleifringen 19
und 20 oder die am Schalter 22 vertauscht, dann wären bei der gezeichneten Stellung
der ganzenEinrichtung die Spannungen g und a in Gegenphase zueinander. Man würde
dann einen Spannungstiefstwert am Anzeige gerät II beobachten und das verlangte
Ausschlagsmaximum erst erhalten, wenn man den Magneten I7 um I800 gedreht hat. Die
Marke 24 würde dann am Magneten I7 eine Stelle bezeichnen, die um 180 gegenüber
der Marke 25 auf dem Magneten 17 versetzt liegt. Wird das beachtet, so kommt man
zum gleichen Ergebnis wie oben.
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Dieser Zusammenhang zwischen den Marken 24 und 25 und der Unwuchtlage
wird ein für allemal .durch probeweises Einsetzen eines Ausgleichsgewichtes festgestellt.
Dann werden die miteinander verbundenen Klemmen der Geräte und die Pole der Erregerwicklung
5 bezeichnet. Verbindet man dann bei späterer Anwendung die Klemmen in der gekennzeichneten
Weise, dann ist die Lage cier Unwucht mit dem Aufeinanderfallen der Marken 24 und
25 eindeutig bestimmt, z. B. Unwucht links, entsprechendes Ausgleichsgewicht rechts.
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An Stelle des Anzeigers I3 kann auch ein Stroboskop zur Feststellung
der Phasenlage verwendet werden. Die im Geberkreis vorhandene Spannung kann gegebenenfalls
nach Verstärkung einer Glimmlampe zugeführt werden, die einen radialen Strich am
Stirnende der Welle bestrahlt.
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Oft kann es vorteilhafter sein, als Stroboskop eine beispielsweise
von Hand gedrehte Lochscheibe zu verwenden. Zu diesem Zweck wird durch den Wechselstrom
im Geberkreis ein Oszillograph erregt. Durch die Lochscheibe werden gleichzeitig
der mit einer Marke versehene umlaufende Körper und der Oszillograph beobachtet.
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In Fig. 4 ist eine weitere Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Der Geber bzw. das Hilfsschwingungsgebilde 3 sitzt dabei
mit einem Magneten 27, der im vorliegenden Fall von der Wicklung 28 erregt wird,
auf der Lagerung 2 des auszuwuchtenden Körpers. Im ringförmigen Luftspalt 29 kann
eine Spule 30 auf und ab schwingen, die an der Masse 3I befestigt ist. Diese ist
durch eine Feder 32 gegen den Magneten 27 abgestützt. Damit ist ein auf die Schwingungen
des Lagers 2 ansprechendes Schwingungsgebilde gegeben, dessen von der Schwingungsgeschwindigkeit
abhängige mechanische Schwingungen in ebensolche elektrische Schwingungen in der
Spule 29 umgewandelt werden. Da der hier gezeigte Geber nicht ohne weiteres auf
ein Maximum der Schwingungsgeschwindigkeit eingeregelt werden kann, sind zusätzliche
Einrichtungen erforderlich. Als solche dient im behandelten Beispiel ein Schwingungssieb
33, das aus induktivem und kapazitivem Widerstand besteht. Als induktiver Widerstand
wurde hier ein Transformator 34 und als kapazitiver Widerstand ein Drehkondensator
35 gewählt. Durch Änderung des kapazitiven Widerstandes und damit der Durchlaßfrequenz
bzw. der Resonanzfrequenz kommt dieselbe Auswahlwirkung zustande wie im vorigen
Beispiel. In gleicher Weise wie bei der zuerst beschriebenen Einrichtung ist wieder
ein elektrisches Meßgerät II vorhanden, das auch hier auf einen Höchstausschlag
eingeregelt wird. An die Leiter 36 und 37 kann wie in Fig. I ein Anzeiger oder ein
Stroboskop angeschaltet werden.
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Fig. 5 zeigt ferner einen Geber, der ebenfalls für die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Auf der Lagerung 2 ist ein Gehäuse
38 angeordnet, in dem innen- und außenliegende, im Betrieb vom magnetischen Fluß
durchsetzte Eisenkörper 39 bzw. 40 angeordnet sind. Zur Erzeugung des magnetischen
Flusses ist im vorliegenden Fall eine Wicklung 41 vorgesehen, es können aber auch
Dauermagnete verwendet werden.
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Zwischen den innen- und außenliegenden, vom Fluß durchsetzten Eisenkörpern
39 und 40 kann eine Spule 42 schwingen, die an der Scheibe 43 befestigt ist. Die
Scheibe 43 sitzt auf einer Achse 44, die wiederum an den Membranen 45 verankert
ist.
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Durch die weiterhin angeordneten Überwurfmuttern 46 kann die Spannung
der Membranen 45 verändert und damit die Schwingungsgeschwindigkeit ähnlich wie
bei der gemäß der Fig. I und 2 verwendeten Saite eingestellt werden. Im übrigen
kann die e zuletzt beschriebene Einrichtung in gleicher Weise ausgestaltet und verwendet
werden wie das in den Fig. I bis 3 dargestellte Gerät mit einer Saite.
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Mit den beispielsweise dargestellten Einrichtungen gelingt es in
jedem Fall ohne Schwierigkeiten, die Schwingungsgeschwindigkeit auf den jeweiligen
Höchstwert einzuregeln, wie es zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
notwendig ist.
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Damit wird gleichzeitig erreicht, daß der Schwingungsausschlag und
die Lage der Unwucht genau einen Winkel von go0 miteinander einschließen.
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Erfindungsgemäß wird demnach eine einwandfreie La genbestimmung der
Unwuchten umlaufender Körper erreicht.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, nach entsprechender Eichung durch
Beobachtung des Saiten-, Membranen- bzw. Galvanometerausschlages die Unwuchtgröße
festzustellen. Bei Beobachtung von Saite oder Membran ist es jedoch besser, deren
Höchstausschlag und damit die Frequenz W0 einzuregeln. Dann wird die Größenbestimmung
genauer.