DE964998C - Anordnung zur Erzeugung mechanischer Schwingbewegungen eines Koerpers auf in sich geschlossenen, z.B. geradlinigen oder kreisfoermigen Schwingungsbahnen - Google Patents

Description

Es sind Anordnungen zur Erzeugung mechanischer Schwingbewegungen bekannt, bei denen an dem in Schwingbewegungen zu versetzenden, schwingbar angeordneten Körper, der Betriebsmasse, an welcher ein zweiter Körper als Hilfsmasse mittels einer Kraftfeder federnd und schwingbar angeordnet ist und wobei zwischen diesen beiden Massen periodische Kräfte wirksam sind. Die beiden durch die Kraftfeder miteinander verbundenen Körper schwingen dann im Takt der die Schwingung erregenden periodischen Kräfte gegeneinander, wobei ihre Schwingungsweiten im umgekehrten Verhältnis ihrer Massen stehen.

Eine solche Schwimganordnung hat eine ganz bestimmte Eigenschwingungszahl, die durch die beiden Massen und diie Feder-konstante der die beiden Massen verbindenden Kraftfeder bestimmt ist. Bekanntlich tritt durch Abstimmung der Frequenz der die Schwingung erregenden periodischen Kräfte auf diese Eigenschwingungsizahl der An- ao Ordnung Resonanzwirkung ein, so daß bereits kleine periodische Kräfte genügen, um sehr große Schwingungsweiteti zu erzielen.

Die die Betriebamasse gegen das Fundament abstützenden elastischen Mittel bleiben bei dieser Abstimmung unberücksichtigt, da diese lediglich so

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stark ausgebildet werden, daß sie die Schwinganordnung schwingbar zu tragen vermögen, im übrigen aber so nachgiebig sind, daß sie auf den Schwingungsvorgang selbst praktisch keinen Einfluß haben.

Auch die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung mechanischer Schwingbewegungen eines Körpers, doch besitzt diese Anordnung erfindungsgemäß außer den beiden Massen, also dem in ίο Schw.ingbewegungen zu versetzenden Körper als Betriebsmasse und einem zweiten Körper als Hilfsmasse, nicht eine, sondern zwei Kraftfedern und bildet mit diesen im Gegensatz zu den bekannten Schwinganordnungen ein Schwingsystem mit zwei ausgeprägten Eigenschwingungszahlen, und zwar derart, daß die eine Masse mittels der einen Kraftfeder federnd und schwingbar mit dem Fundament verbunden ist und die andere Masse mittels der zweiten Kraftfeder federnd und schwingbar mit der ersten Masse verbunden ist und daß auf die zweite Masse periodische Kräfte wirksam sind, welche über die zweite Kraftfeder auf die erste Masse einwinken. In der Regel wird man aus Gründen, welche sich aus den folgenden Ausführungen ergeben, die erste Masse als Betriebsmasse und die zweite Masse als Hilfsmasse vorsehen, so daß die beiden Massen im folgenden zum besseren Verständnis nur noch als Betriebsmasse und als Hilfsmasse bezeichnet werden.

Für die praktische Durchführung einer solchen Schwinganordming mit zwei Kraftfedern und zwei ausgeprägten Eigenschwingungszalhlen gibt es je nach der Art der Schwingungserregung durch die periodischen Kräfte verschiedene Möglichkeiten: entweder können diese periodischen Kräfte zwischen der Hilfsmasse und dem Fundament wirksam sein, oder sie können zwischen der Hilfsmasse und der Betriebsmasse wirksam sein.

An Hand der Zeichnungen sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen derselben näher erläutert werden.

Fig. ι der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Schwingsystem besitzt zunächst den in Schwingungen zu versetzenden Körper i, also die Betriebsmasse, und einen zweiten Körper ζ als Hilfsmasse. Ferner sind zwei Kraftfedern 3 und 4 vorgesehen. Die Kraftfeder 3 Λ-erbindet die Betriebsmasse mit d'em Fundament, und die Kraftfeder 4 verbindet die beiden Massen untereinander. Als Schwingungserreger ist ein elektromagnetischer Schwingantrieb vorgesehen, bestehend aus einem Elektromagneten 5, welcher an dem Körper 2 befestigt ist und mit seiner Masse zur Hilfsmasse gerechnet werden muß, und einem Magnettanker 6, welcher am Fundament befestigt ist. Unter Umständen kann der Magnet 5 auch allein die Hilfsmasse bilden.

Wird der Elektromagnet 5 an eine Wechselspannung gelegt, so werden zwischen ihm und seinem Anker 6 periodische Anziehungskräfte erzeugt, die über die Kraftfeder 3 auch auf die Betriebsmasse ι einwirken. Die Betriebsmasse 1 wird also in Schwingbewegungen versetzt.

Bevor die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels erläutert wird, soll noch ein anderes Aus- 6; führungsbeispiel der Erfindung an Hand der Fig. 2 beschrieben werden. Die Aufbauteile dieses Schwingsysitems sind die gleichen wie bei der Anordnung nach Fig. 1 und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Unterschiedlich ist jedoch die Anordnung 7« des Elektromagneten 5 und seines Ankers 6, indem im vorliegenden Fall die von Magnet und Anker hervorgerufenen periodischen Kräfte nicht wie bei Fig. ι zwischen Hilfsmasse und Fundament wirksam sind, sondern zwischen Hilfsmasse und Be- 7: triebsmasse. (Die zur Schwingungserregung dienenden Teile 5 und 6 sind in der Zeichnung lediglich aus zeichnerischen Gründen nicht in der Längsachse der Schwinganordnung vorgesehen; praktisch wird man sie so anordnen, daß ihre Kraftrichtung mit 8c der Längsachse der Schwinganordnurag zusammenfällt.) Auch hier wird durch die periodischen Kräfte die Betriebsmasse 1 in Schwingbewegungen versetzt.

Läßt man nun das Schwingsystem nach Fig. 1 8£ oder 2 mit verschiedenen Frequenzen der erregenden periodischen Kräfte arbeiten und zeichnet man die erzielten Ausschläge der beiden Massen in Abhängigkeit von der erregenden Frequenz in einem Diagramm auf, so ergibt sich, daß das Schwing- 9c system nach der Erfindung im Gegensatz zu bekannten Schwiugsystemen nicht nur eine einzige, sondern zwei ausgeprägte Eigenschwingungszahilen aufweist. Ein solches Diagramm ist für einem bestimmten Bemessungsfall in Fig. 3 der Zeichnung für das Schwingsystem der Fig. 1 und in Fig. 4 für das Schwingsystem der Fig. 2 gezeigt. Mit O₁ sind die Ausschläge der Betriebsmasse und mit a_o die Ausschläge der Hilfsmasse bezeichnet. Wie die Diagramme zeigen, haben die Schwingsysteme zwei ιοί ausgeprägte Eigenschwingungszahlen, deren Frequenzen mit (o und ω" bezeichnet sind.

Gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung können an den Schwingsystemen der Fig. 1 und 2 ganz bestimmte Abstimmungen der beiden Massen io; und der beiden Kraftfedern vorgenommen und hierdurch für den praktischen Betrieb wesentliche Vorteile erzielt werden. Zur Erläuterung dieser Abstimmungen sollen folgende Bezeichnungen verwendet werden:

M — die Masse des Körpers 1 (Betriebsmasse), ni = die Masse des Körpers 2 (Hilfsmasse), C = die Federkonstante der Kraftfeder 3, c = die Federfconstante der Kraftfeder 4.

Zunächst kann nun an dem Schwingsystem der Fig. ι erfindungsgemäß folgende Abstimmung vorgenommen werden:

c +C =

Durch diese Abstimmung, die in Fig. 3 mit dem Frequenzwert ω₀ bezeichnet ist, wird, wie das Diagramm zeigt, erreicht, daß der Anschlag a₂ der Hilfsmasse m tjo. Null wird. Hierbei ist zwar die iaj Dämpfung der Anordnung vernachlässigt, doch ist

diese Vernachlässigung, wie noch gezeigt werden wird, praktisch durchaus zulässig. Ein Ausschlag a₂ = ο für die Hilfsmasse bedeutet, daß die Hilfsmasse in ihrer Schwingungsnullage, in welche sie beim Inbetriebsetzen der Anordnung einschwingt, während des Betriebes der Anordnung stillsteht. Dies ist namentlich bei Verwendung elektromagnetisch wirkender Schwingungserreger von großem Vorteil, weil dann der Luftspalt

ίο zwischen dem Elektromagneten und dessen Anker im Betrieb konstant bleibt und eine gleichbleibende Magnetkraft ergibt. Außerdem kann auf Grund des Ausschlages a₉ = ο der Luftspalt sehr klein gewählt werden, so daß sich günstige elektrische Verhältnisse durch den geringen Magnetisierungsstrom ergeben.

In ähnlicher Weise kann an dem Schwingsystem der Fig. 2 erfindungsgemäß folgende Abstimmung vorgenommen werden:

C = (Λ/ + ni) ω².

(2)

Durch diese Abstimmung, die in Fig. 4 mit dem Frequenzwert co_Q bezeichnet ist, wird, wie das Diagramm zeigt, erreicht, daß der Ausschlag Ci₁ der Betrieibsmasse M und der Ausschlag a₂ der Hilfsmasse m ihrer Richtung und Größe nach stets gleich sind, wobei wiederum die Dämpfung der Anordnung zuliäs'sigerweise vernachlässigt ist. Die beiden Massen M und m schwingen also während des Beitriebes stets mit gleichbleibendem gegenseitigem Abstand. Die Vorteile einer solchen Abstimmung des Schwingsys'tems der Fig. 2 sind die gleichen wie die Vorteile der vorstehend genannten Abstimmung c + C = Maß beim Schwingsystem der Fig. ι: Auch hier ergeben sich günstige Magnetisierungsverhältnisse, und auch hier kann der konstant bleibende Luftspalt zwischen dem Elektromagneten und dessen Anker sehr klein gewählt werden.

Schließlich kann statt der beiden vorgenannten Abstimmungen, vorteilhaft jedoch zusätzlich, noch folgende Abstimmung erfindungsgemäß vorgenommen werden:

c =■■ mco-.

(3)

Durch diese Abstimmung wird erreicht, daß der Ausschlag α_Λ der Betriebsmasse M im · Gegensatz zum Ausschlag der Betriebsmasse· bekannter Schwingsysteme von Masseänderungen (AM) undvon der Dämpfung unabhängig konstant bleibt, was bei vielen Anwendungsfällen von Schwingantrieben von großem Vorteil ist. Diese Abstimmung ist nicht an das Vorhandensein der in den Fig. ι und 2 gezeigten Kraftfeder 3 gebunden, sondern bietet die gleichen Vorteile auch dann, wenn die Betriebsmassen statt durch eine Kraftfeder lediglich durch einen Lenker mit dem Fundament verbunden ist, beispielsweise also durch eine Gelenkstange oder eine derart weiche Feder, daß sie auf den Schwingungsvorgang keinen nennenswerten Einfluß ausübt. Wesentlich ist es für die Abstimmung, daß mit der beweglich gelagerten Betriebsmasse eine zweite Masse (Hilfsmasse) mittels einer Kraftfeder verbunden ist, wobei zwischen diesen beiden Massen- periodische Kräfte zur Schwingungserregung wirksam sind.

Wie erwähnt, ist bei den Abstimmungen 1 und 2 die Dämpfung der Schwinganordnung vernachlässigt worden. Rechnerische Untersuchungen bestätigen, daß auoh bei Einbeziehung der Dämpfung in die Rechnung die Bewegungen der Hilfsmasse so klein bleiben, daß sie praktisch vollkommen bedeutungslos sind.

Die vorstehend beschrieibenen Abstimmungen haben noch den weiteren Vorteil, daß sie, wie die Diagramme erkennen lassen, stabil sind, indem kleine Abweichungen der Frequenz auf den Ausschlag der Betriebsmasse praktisch keinen Einfluß haben,. wodurch namentlich die große Kraftfeder 3(C) sehr geschont wird.

Die Schwinganordnungen nach der Erfindung sind nicht an die in den erwäihnten Ausführungsbeispielen angenommene geradlinige Schwingbewegung gebunden, sondern es können auch beliebige andere, in sich geschlossene Schwingungsbahnen vorgesehen werden, seien es lineare, z. B. kreisbogenförmige Schwingungsbannen oder seien es unilineare Schwingungsbaihnen mit beispielsweise Kreis- oder Ellipsenform. Ebenso können für die Schwingsysteme nach der Erfindung auch andere als elektromagnetische oder elektrodynamische Schwingungserreger verwendet werden, beispielsweise also Umwuchtantriebe. Auch die Art der für die Schwinganordnungen verwendeten Kraftfedern ist an sich gleichgültig. Es ist also beispielsweise gleichgültig, ob die Kraftfedern auf Druck, Zug, Biegung oder Torsion beansprucht werden. Bei auf Torsion beanspruchten Federn ist lediglich zu beachten, daß bei der Abstimmung nach den obengenannten Formeln an Stelle der Masse das Tragheitsmoment, an Stelle der Federkonstante das Rücks-tellmoment der Feder und an Stelle der periodisch wirkenden Kraft das periodisch wirkende Moment eingesetzt wird.

Zum Schluß soll noch je ein praktisches Ausführungsbeispiel der Sc.hwingsys.teme nach Fig. 1 und 2 gezeigt werden, und zwar in Anwendung für eine Schwingmühle, welche eine kreisförmige Schwingbewegung ausführen soll.

Fig. 5 der Zeichnung zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß dem Schwingsystem der Fig. 1.

Beiderseits einer Schwingmühle J sind Verbindungshauben 8 und 9 nach Art eines Elektromotor-Lagerschildes angebracht. An diesen Hauben sind zwei Federstäbe 10 und 11 starr befestigt, welche aus Stahl oder einem anderen elastischen Stoff bestehen. Das zweite Ende der beiden Federstäbe 10 und 11 ist in je einem im wesentlichen feststehenden, starren Tragkörper 12 bzw. 13 befestigt und somit mit dem Fundament unschwingbar verbunden.

Ferner ist beiderseits der Schwingmü'hle 7 je einer der beiden Federstäbe 14 und 15 starr angebracht, welche ebenfalls aus Stahl oder einem anderen elastischen Stoff bestehen.

Am freien Ende der beiden Federstäbe 14 und 15 ist je ein elektromagnetischer Schwingantrieb 16 bzw. 17 vorgesehen, dienen Anikerteil mit dem freien Ende der Federstäbe fest verbunden ist und. deren Magnetteil an je einem im wesentlichen starren, feststehenden Tragkörper 18 bzw. 19 am Fundament befestigt ist. Die Elektromagnete und ihre Anker können jedoch, auch miteinander vertauscht werden. Die Traggerüste 18 und 19 greifen durch Durchbrechungen der Verbindungshauiben 8 und 9 frei hindurch. Die Schwingantriebe 16 uod 17 sind in an sich bekannter Weise so ausgebildet, daß sie eine kreisförmige Schwingbewegong ausführen.

Dieses Schwingsystem entspricht in seinem Aufbau 'dem Schwingsystem der Fig. 1. Die Betriebsmasse M wird von der Mühlentrommel 7 und den Hauben 8 und 9 und die Hilfsmasse m von dem Ankerteil der beiden Schwingantriebe 16 und 17 gebildet.

Die Hilfsmasse ist mittels der Federn 14 und 15 (c) mit der Betriebsmasse federnd und schwingbar verbunden, und die Betriebsmasse ist mittels der Federn 10 und. 11 (C) mit dem Fundament federnd verbunden.

Werden die S chwingan triebe 16 und 17 erregt, so wird die Mühlentrommel 7 samt den Hauben 8 und¹ 9 als Betriebsmasse in Schwingungen versetzt. Werden ferner die Massen und Federn der Schwinganordnung so bemessen, daß sie den oben angeführten Gleichungen (1) und (3) entsprechen, so ist einerseits die Schwingungsweite der Mühlentrommel von Massenänderungen und von der Dämpfung unabhängig und andererseits die Schwingbewegung der Hilfsmasse, nämlich die Schwingbewegung des An'fcerteils der Schwingantriebe 16 und 17, praktisch gleich Null. Der Luftspalt zwischen den Ankerteilen und den Magneten der Schwingantriebe kann also im Interesse günstiger elektrischer und magnetischer Verhältnisse sehr klein bemessen werden. Ein. Ausiführungsfoeispiel gemäß dem Schwingsystem der Fig. 2 zeigt Fig. 6. Auch hier sollen kreisförmige Schwingbewegungen einer Schwingmühle erzielt werden. Die Teile 7 und 17 sind die gleichen wie bei Fig. 5. Da jedoch im vorliegenden Fall die von den Schwingantrieben 16 und 17 ausgeübten, periodischen Kräfte nicht zwischen Hilfsmasse und Betriebsmasse wirksam sein sollen, so ist der Magnetteil der Scbwinganitrieibe unmittelbar an den Hauben 8 und 9 angebracht und somit mit der Betriebsmasse, also der Schwingmüfale 7, starr verbunden. Die Tragkörper 18 und 19 der Fig. 5 fallen also· bei der vorliegenden Anordnung fort. Auch, bei dieser Anordnung wird die Mühlentrommel 7 beim Erregen der Schwingantriebe 16 und 17 in kreisförmige Schwingungen versetzt. Werden ferner bei dieser Anordnung die oben für Fig. 2 angegebenen Abstimmungen gemäß den Gleichungen. (2) und; (3) vorgenommen, so wird wiederum erzielt, daß der Abstand zwischen der Hilfsmasse und der Hauptmasse praktisch konstant Weiht und die Schwingungsweite der Mühlentrommei von Massenänderungen und von der Dämpfung unabhängig konstant bleibt. Der gleichbleibende Abstand zwischen der Hilfsmasse und derHauptmasse bedeutet, daß der Absitand zwischen den Ankern und den Elektromagneten der Schwingantriebe 16 und 17 konstant bleibt und daher wiederum im Interesse günstiger elektrischer und magnetischer Verhältnisse sehr klein gewählt werden muß.

Die Anordnungen nach der Erfindung können nicht nur für Schwingmühlen mi.t Vorteil verwendet wenden, sondern auch für beliebige andere schwingende Arbeitsmaschinen und -gerate, so· z. B. für Schwingsiebe·. Das Wesentliche' der Erfindung ist immer, daß die Schwinganordnung ein Schwingsystem mit zwei ausgeprägten Eigensrihwingungszahlen bildet, und zwar derart, daß zwei Massen dürah Kraftfedern beliebiger Art federnd und sc'hwingbar miteinander verbunden sind, daß mindes'tens eine der beiden Massen mittels einer zweiten Kraftfeder beliebiger Art federnd und. schwingbar mit dem Fundament verbunden ist, so daß diesem Schwingsystem an irgendeiner Stelle Energie zur Aufrechterhaltung der Schwingung zugeführt wird. Die Zuführung der Energie kann in der beschriebenen Weise durch periodische· Kräfte erfolgen, welche zwischen den beiden Hilfsmassen wirksam sind, oder durch periodische Kräfte, welche zwischen mindestens einer der beiden Massen und dem Fundament wirksam sind, oder beispielsweise auch innerhalb der einzelnen Elemente, beispielsweise innerhalb der Federn durch Hindurehleiten elektrischen Stromes, wodurch ein periodisches Zusammenziehen der Federn erzeugt wird. Schließlich ist es auch möglich, daß beide Massen durch je eine Lenker- oder Kraftfeder mit dem Fundament verbunden werden.

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Anordnung zur Erzeugung mechanischer Sobwingungsbewegungen eines Körpers auf in sich geschlossenen, z.B. geradlinigen oder kreisförmigen Schwingungsbahnen, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Körper (Betrieibsmasse) zusammen. mit einem zweiten Körper (Hilfsmasse) und zwei Kraftfedern derart ein Schwingsystem mit zwei ausgeprägten Eigens chwingungs zahlen bildet, daß die eine Masse, insbesondere die Betriebsmasse, mittels der einen Kraftfeder federnd und schwingbar mit dem Fundament verbünden und die andere Masse, die Hilfsmasse, mittels der zweiten Kraftfeder federnd und schwingbar mit der ersten Masse (Betriebsmas.se) verbunden, äst und daß auf die zweite Masse (Hilfsmasse) periodische Kräfte wirksam sind', welche über die zweite Kraftfeder auf die erste Masse (Betrieibsmasse) einwirken.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Kräfte zwisehen der Hilfsmasse und dem Fundament wirksam sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Kräfte zwischen der Hilfsmasse und der Betriebsmasse wirksam sind .
4. 4· Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Betriebsmasse (M), der Federkonstante (C) der ersten Kraftfeder und. der Federkonstante (c) der zweiten Kraftfeder, daß C + c = M oß ist, wobei ω die Kreisfrequenz ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Betriebsmasse (M), der Hilfsmasse (m) -und der Federkonistante (C) der ersten Kraftfeder, daß C = (M + m) ω² ist, wobei ω die Kreisfrequenz ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Hilfsmasse (m) und der Federikonstante (c) der zweiten Kraftfeder, daß c = m ω² ist, wobei ω die Kreisfrequenz ist.
7. 7. Schwingmühlenanofdnung nachAnsprudi2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mühlentrommel ein im wesentlichen starrer, liauibenföcmiger Körper angebracht ist, welcher mit seiner Hohlseite der Mühlentrommel zugewandt und der mittels einer Kraftfeder mit dem Fundament verbunden ist, während innerhalb der Haube ein insbesondere elektromagnetischer oder elektrodynamischer Schwingungserreger angeordnet ist, dessen einer Teil (Magnetsystem oder Anker) mittels einer zweiten Kraftfeder an der Müihlentrommel befestigt ist.
8. 8. SchwingmüMenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des Schwingungserregers mittels eines durch die Haube hindurchgreifenden, im wesentlichen starren Tragkörper« am Fundament befestigt ist (Fig· 5).
9. 9. Schwingmühilenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des Schwingungserreger an der Haube befestigt ist (Fig. 6).
10. 10. Schwingmühlenanordnung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits der Mühlentrommel je eine Haube mit je einem Schwingungserreger angeordnet ist.

    In Betracht gezogene Druckschriften:

    Deutsche Patentschriften Nr. 496 150, 599 118;

    Wien-Harms, Handbuch der Experimentalphysik, Bd. 17, T. i, Leipzig 1934, S. 147, 148;

    Lehr, Schwingungstechnik, Bd. II, Berlin 1934, S. 223 bis 226, 229 bis 233;

    Den H a r t ο g, Mechanische Schwingungen, Berlin 1936, S. 87, 88.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    709525/375 S.