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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der elastischen Phasenverschiebung
von zwei oder mehreren synchron laufenden, parallelen Wellen Motoren od. dgl. als
Funktion der wechselnden Belastung der Verbindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Messen der elastischen Phasenverschiebung von zwei oder
mehreren mit einander gekuppelten und daher synchron laufenden, vorzugsweise parallelen
Wellen, Motoren od. dgl. Es kommt vor, daß zwei oder mehrere Wellen oder Motoren
genau synchron laufen sollen, und zwar auch dann, wenn die Belastungen verschieden
groß sind oder wechseln. Um einen solchen Synchronlauf sicherzustellen, müssen irgendwelche
Verbindungen zwischen den umlaufenden Teilen vorhanden sein. Da solche Verbindungen
(mechanischer, magnetischer, elektrischer oder sonstiger Art) meist nicht als vollkommen
starr anzusehen sind, wird sich im allgemeinen bei verschieden starker und wechselnder
Belastung eine Phasenverschiebung ergeben, die nach Aufhören der Belastung ganz
oder teilweise wieder zurückgeht. Geht sie ganz wieder zurück, so spricht man von
elastischer Phasenverschiebung. Man wendet z. B. die soge nannte elektrische Welle
als Verbindung der umlaufenden Teile an, wenn aus besonderen Gründen die Phasenverschiebung
möglichst klein sein soll, eine mechanische Verbindung aus räumlichen Gründen aber
nicht möglich ist. Auch bei einer elektrischen Welle tritt jedoch eine Phasenver-
schiebung
ein, deren Wert bestimmt werden muß, um erkennen zu können, ob für einen besonderen
Zweck diese vorkommende Phasenverschiebung noch zulässig ist.
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Es sind mehrere Methoden bekannt, mit denen eine Phasenverschiebung
gemessen werden kann.
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Zum Beispiel werden an den rotierenden Teilen Kontakte angeordnet
zur Kontaktgabe und Aufzeichnung der sich ergebenden Werte mittels Schleifenoszillographen
bei Papiergeschwindigkeiten bis zu 50 m/sec; oder man verwendet eine Phasenimpulsgabe
für jede Welle und Darstellung mit Kathodenstrahloszillographen. Schließlich kann
man wissenschaftliche Filmeinrichtungen verwen den mit Bildzahlen von über iSooo
Aufnahmen/sec.
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Man kann mit diesen Methoden eine Genauigkeit der Anzeige von etwa.
IO erzielen bei Drehzahlen von n = 3000 U/min. Aber der Aufwand an Gerätschaften
und die Kosten für die Durchführung einer Messung sind außerordentlich hoch.
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Es ist ferner ein Verfahren bekannt, mit dem festgestellt werden
kann, ob zwei koaxiale Wellen synchron laufen oder ob die eine Welle schneller oder
langsamer läuft als die zweite mit konstanter Drehzahl umlaufende Vergleichswelle.
Bei diesem Verfahren werden auf die beiden Wellen Stroboskopscheiben aufgesetzt
mit einer Vielzahl von am Umfang gleichmäßig verteilten Radialschlitzen, die von
einer Lichtquelle angestrahlt werden und auf einer transparenten Skala Lichtspuren
abzeichnen.
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Es kann mit diesem Verfahren unter Zuhilfenahme einer Messung der
Geschwindigkeit des Wanderns der Lichtmarken auf der Skala aber nur die Differenz
der Winkelgeschwindigkeit der beiden Wellen ermittelt werden, nicht jedoch der Wert
der Phasenverschiebung der einen Welle gegenüber der anderen Welle.
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Hier zeigt sich das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung
als überlegene Hilfe.
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Es Werden an Hilfsmitteln bei der Untersuchung von z. B. zwei Wellen
nur benötigt eine Lichtquelle, für jede Welle eine Stroboskopscheibe mit einem oder
mehreren symmetrisch angeordneten radialen Schlitzen und ein gegebenenfalls transpa
rentes Meßblatt, das auf den Außen- und Innenradius und die Schlitzbreite des Radialschlitzes
geeicht ist. Die Stroboskopscheiben werden auf den Wellen derart angeordnet, daß
sich die Längen der Radialschlitze überdecken. Von der einen Seite her werden die
Stroboskopscheiben mit der Lichtquelle angestrahlt. Liegen die Radialschlitze in
den Scheiben derart, daß sie sich kreuzen, so wird durch die Kreuzungsstelle ein
Lichtstrahl auf das Meßblatt geworfen, das auf der anderen Seite der Scheiben angeordnet
ist. Werden die Scheiben gedreht, so wandert der Lichtstrahl auf dem Meßblatt, und
bei Drehzahlen von etwa n = 300 U/min ab wird auf dem Meßblatt eine Lichtbahn abgebildet,
die stillzustehen scheint. Wenn man bei Stillstand der Wellen und ohne deren Belastung
die Scheiben derart einstellt, daß die Schlitze sich genau überdecken, und läßt
man dann das System umlaufen, so bildet sich auf dem Meßblatt eine ganz bestimmte
Lichtfigur ab. Bei Gleichlauf der Wellen ergibt sich eine gerade Linie parallel
zu den sich deckenden Schlitzen, bei Gegenlauf ergibt sich eine Lichtfigur in Form
eines Kreuzes.
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Ändert sich infolge von Belastungen die gegenseitige Lage der Scheiben
derart, daß die eine Scheibe der anderen Scheibe um einen der jeweiligen Belastung
entsprechenden Winkel voreilt, so verschiebt sich die Lichtfigur auf dem Meßblatt.
Bei Gleichlauf der Wellen verschiebt sich das Lichtband annähernd parallel, wobei
es sich leicht krümmt; bei Gegenlauf teilt sich die kreuzförmige Lichtfigur in zwei
hyperbelartige Abschnitte, die in sich gegenüberliegenden Quadranten liegen.
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Da es möglich ist, die Einteilung des Meßblattes zu eichen, kann
man sofort und ohne Umrechnung das Winkelmaß des Voreilens bzw. des Zurückbleibens
der einen Scheibe gegenüber der anderen Scheibe von dem Meßblatt ablesen. Läßt man
die Wellen im Gleichlauf umlaufen, so ergibt sich ein Meßbereich von etwa + 700
Phasenverschiebung gegenüber der Nullstellung bei einer Meßgenauigkeit von etwa
30; läßt- man die Wellen gegenläufig umlaufen, dann beträgt der Meßbereich nur noch
etwa + 80 aber die Meßgenauigkeit steigt auf + 0,50. Die Meßgenauigkeit läßt sich
steigern, indem man die Schlitze sehr schmal macht; um die nötige Lichtdichte auf
dem zweckmäßig transparenten Meßblatt zu erreichen, werden mehrere Radialschlitze
gleichmäßig über die Stroboskopscheiben verteilt.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung der Vorrichtungsteile,
Fig. 2 ein Meßblatt mit Lichtbahnen und Eichkurven zur Verwendung bei gleichlaufender
Drehrichtung der Wellen, Fig. 3 Lichtbahnen auf einem Meßblatt bei gegenläufiger
Drehrichtung der Wellen, Fig. 4 Eichkurven auf einem Meßblatt für gegenläufige Drehrichtung
der Wellen.
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Eine Lichtquelle I (Scheinwerfer od. dgl.) wirft seine Lichtstrahlen
in Richtung der parallelen Achsen 2 und 3 der zu prüfenden Wellen, auf denen die
Stroboskopscheiben 4 und 5 angeordnet sind.
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Der einfacheren Darstellung wegen sind auf den Stroboskopscheiben
nur je ein Radialschlitz 6 und 7 gezeichnet. In der Ruhelage oder Anfangsstellung
werden in der Regel die beiden Stroboskopscheiben derart eingestellt, daß die Radialschlitze
sich völlig decken. Es kann dann ein Lichtstrahl in der ganzen Länge der Schlitze
von der Lichtquelle I durch die Schlitze auf das Meßblatt 8 fallen. Liegen beim
Umlauf der Wellen die Stroboskopscheiben in einem beliebigen Augenblick derart,
daß sich die Radialschlitze kreuzen (s. Fig. i), so wird von einem Lichtstrahl g
auf dem Meßblatt ein rhombusartiger Lichtfleck I0 abgebildet. Bei schneller Drehung
der Wellen ohne Belastung ergibt sich bei gleichlaufender Drehrichtung der Wellen
eine Lichtbahn entsprechend der Fläche 12 (Fig. 2) und bei gegenläufiger Drehrichtung
der Wellen ent-
sprechend Fläche 14 (Fig. 3). Werden die beiden
Wellen verschieden stark belastet, so ergibt sich aus der Differenz der Belastungen
für deren Dauer eine Phasenverschiebung zwischen beiden Wellen, die sich durch eine
Verschiebung der Lichtbahn auf dem Meßblatt in der bereits angegebenen Art und Weise
bemerkbar macht. Dabei verschiebt sich entsprechend der Belàstungsrichtung bei Gleichlauf
der Wellen die Lichtbahn bei positiver Belastung von 12 nach oben, z. B. I3a oder
bei negativer Belastung von I2 nach unten, z. B. I3b. Bei Gegenlauf verschiebt sich
die Lichtbahn z. B. in Richtung der Lichtbahnen r5a und 151> im II. und IV. (positiven)
Quadranten oder bei negativer Belastung z. B. in Richtung der Lichtbahnen I6a und
16b im I. und III. (negativen) Quadranten.
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Die in sich gegenüberliegenden Quadranten sich abzeichnenden Lichtbahnen
sind symmetrisch.
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Die Eichung eines Meßblattes kann außerhalb der Vorrichtung erfolgen,
indem entsprechend deren Abmessungen für verschiedene Phasenverschiebungswinkel
die zugehörigen Lichtbahnen graphisch ermittelt und eingetragen werden. An sich
könnte man die beiden Begrenzungslinien einer Lichtbahn als Eichkurven eintragen,
ähnlich wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, aber es würde bei enger Eicheinteilung
wegen der Vielzahl von Doppellinien das Eichkurvenbild unübersichtlich werden.
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Man kann auch die Mittellinie einer Lichtbahn als Eichkurve auftragen,
was eine vollkommen symmetrische Kurvenanordnung - bezogen auf das Achsenkreuz -
ergeben. würde; es ist dies besonders dann günstig, wenn die Schlitze sehr schmal
sind und eine große Genauigkeit gefordert wird.
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Man kann aber auch, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Kante der Lichtbahn,
z. B: deren linke Kante II, in der oberen Hälfte der Einteilungsfläche als Bezugslinie
festlegen; es verschiebt sich dann die Nullinie etwas nach links. Die untere Hälfte
ist symmetrisch der oberen Hälfte eingeteilt, bzw. sie braucht gar nicht eingeteilt
zu werden, da nur in der oberen Hälfte abgelesen wird.
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Ein besonderer Vorteil liegt in dem erfindungsgemäßen Verfahren und
seiner Anwendung darin, daß man die Elastizität oder Steifigkeit der Wellenverbindung
bereits im ruhenden Zustand prüfen kann, indem man die eine Scheibe bzw. Welle in
einer Lage des Schlitzes nach Fig. I festhält und die andere Welle statisch belastet;
es wird dann der Lichtpunkt 1 7a der Ausgangslage unter der Belastung beispielsweise
nach I7b wandern. Man kann dann sofort ablesen, daß die Phasenverschiebung in diesem
Falle z. B. 40 beträgt. Sollte aus bestimmten Gründen eine Phasenverschiebung von
nur 2,50 zulässig sein, so kahn man die Wellenverbindung entsprechend stärker ausführen,
ohne durch einen Versuch unter vollen Betriebsbedingungen die Anlage zu gefährden.
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In dem angeführten Beispiel nach Fig. 4 hat die Vorrichtung einen
Meßbereich von -6 bis + 100, d. h. absolut gerechnet von I60. Weiß man aus Erfahrung
oder einer Überschlagsrechnung, daß die Phasenverschiebung größer ist als mit dem
vorhandenen Meßbereich gemessen werden kann, so versetzt man die eine Stroboskopscheibe
entgegengesetzt der erwarteten Phasenverschiebung um eine geschätzte Gradzahl, um
in den vorhandenen Meßbereich hineinzukommen. Vermutet man also eine Phasenverschiebung
zwischen -I2 und -I80, so versetzt man die eine Scheibe um 100; stellt man dann
bei der Messung ein Lichtband I8 (Fig. 4) fest gleich --40, so beträgt die tatsächliche
Phasenverschiebung - 140. Man kann auf diese Weise den Meßbereich der Vorrichtung
beliebig erweitern.