Verfahren, um longitudinale Schwingungen eines Resonanzkörpers in Tangential- bzw. Torsionsschwingungen umzuwandeln Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um in einem zylinderförmigen Resonanzkörper longitudinale Schwin gungen in Tangentialschwingungen beziehungsweise Torsionsschwingungen umzuwandeln.
In manchen Anwendungsfällen der Ultraschalltech nik ist es erwünscht, Schwingungsrichtungen umzuwan deln. Es ist beispielsweise bereits bekannt, einen an seinem einen Ende zu Longitudinalschwingungen er regten Stab dadurch an seinem anderen Ende zu Knickschwingungen, also Schwingungen senkrecht zu seiner Achse anzuregen, dass man den Stab durch Auf bringen einer unsymmetrischen Masse an seinem Aus gang unsymmetrisch belastet oder aber den Stab ein seitig senkrecht zur Achse einkerbt, so dass die Ener gieübertragung nicht mehr rotationssymmetrisch zur Achse erfolgt, sondern unsymmetrisch.
Das Wellenaus- trittsende des Stabes führt dann eine elliptische Schwingung aus, wobei das Achsenverhältnis der El lipse sich aus der Tiefe der Kerbe ergibt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine in Achserrichtung in einen zylinderförmigen Kör per eingeleitete Longitudinalschwingung so umzuwan deln, dass das Wellenaustrittsende des Körpers eine Tangential- bzw. Torsionsschwingung ausführt. Eine derartige Umwandlung ist beispielsweise für den Ultra- schallschweissprozess sehr wichtig.
Nicht zu dicke Me tallschichten, Bleche und Folien lassen sich bekannt lich durch Ultraschallschwingungen verschweissen, wenn die zu verschweissenden Stücke auf eine stabile und träge Unterlage aufgelegt und mit gewissem Andruck parallel zur Blechebene zu Ultraschallschwingungen er regt werden.
Man erkennt leicht, dass dieser Vorgang für einen Schweisspunkt verhältnismässig leicht reali- sierbar ist, indem man die Achse des Ultraschallerzeu gers parallel zur Blechoberfläche orientiert und die Schwingung mit Hilfe eines abgestimmten Rüssels , dessen Mantel einen kleinen Vorsprung trägt, auf das Blech drückt und so die gewünschte Schwingung auf das Blech überträgt. Der Schwingungsvektor liegt dann parallel zur Achse von Ultraschallerzeuger und Rüssel und somit parallel zur Blechoberfläche.
Soll jedoch eine Ringschweissung erfolgen, wie es z. B. beim Aufschweissen von Deckeln auf Dosen in der Verpackungsindustrie erforderlich ist, so versagt dieses Vorgehen und man hat sich bisher so geholfen, dass man ein auf Torsionsschwingungen abgestimmtes Rohr durch drei oder mehr rings um das Rohr ange ordnete und tangential an den Rohrmantel angreifende Schallübertrager erregt.
Das auf diese Weise zu Tor sionsschwingungen erregte Rohr wird dann mit seiner Achse senkrecht zur Blechebene auf die zu verschweis- senden Bleche aufgedrückt und gestattet, die erwünsch te Ringschweissung durchzuführen.
Das genannte Vorgehen erfordert jedoch einen ho hen konstruktiven und technischen Aufwand, weil meh rere Schallköpfe benötigt, konstruktiv sicher geführt und schwingungstechnisch einwandfrei mit dem Rohrman tel gekoppelt werden müssen. Ausserdem wird durch die das Rohr umgebenden Schallköpfe die Schweiss- stelle schwer zugänglich und die rasche und zügige Zu- bringung des Schweissgutes stösst auf Schwierigkeiten, insbesondere dann, wenn es sich um sperriges Schweiss- gut handelt.
Alle diese Schwierigkeiten werden durch das Verfahren beseitigt, longitudinale Schwingungen ei nes zylinderförmigen Resonanzkörpers in Tangential- bzw. Torsionsschwingungen umzuwandeln, indem man dem in Achserrichtung angeregten Körper eine schrau benförmig die Achse umlaufende Unterteilung gibt. Die Figuren 1 bis 4 der Zeichnung zeigen Beispiele der artiger Resonanzkörper.
Figur 1 zeigt einen Resonanzkörper (2), in wel chen schräge, jedoch voneinander getrennte Schlitze (3) eingebracht sind.
Figur 2 zeigt einen nach Art eines Geschwindig keitstransformators als Stufenrüssel ausgebildeten Re sonanzkörper (2), dessen dünnerer. Teil aus einem Rohr (4) besteht, das in einer durchlaufenden Schrauben linie (3') geschlitzt ist.
Figur 3 zeigt einen Resonanzkörper, der aus spiral förmig die Achse umlaufenden Drähten (5) gleicher Steigung aufgebaut ist.
Figur 4 zeigt einen Resonanzkörper, der aus die Achse spiralförmig umlaufenden Drähten (5') zusam mengesetzt ist, deren Steigung zur Wellenaustrittsflä- che hin abnimmt.
Wird beispielsweise in Figur 1 die longitudinale Schwingungserregung in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeiles vom Schwingungserzeuger direkt oder über ein übertragungsglied (1) eingeleitet, so schwingt zunächst das obere Ende des Resonanzkörpers (2) ebenfalls longitudinal, also parallel zur Achse. Diese Schwingung kann sich jeweils nur bis zu den Schlitzen (3) ausbreiten und wird dort umgelenkt, so dass nun mehr eine Schwingung entsteht, die sowohl eine achsen- parallele wie auch eine Tangentialkomponente besitzt.
Der Neigung der Schlitze entsprechend kann diese Tan- gentialkomponente im Verhältnis zur Axial-(Longitudi- nal)komponente gross oder klein sein. Nur wenn die Axialkomponente den Wert Null annehmen würde, würde es sich um eine reine Torsionsschwingung han deln, was in den meisten Fällen jedoch nicht erfor derlich ist. Im allgemeinen wird stets ein Schwingungs gemisch, also eine Tangentialschwingung entstehen.
Das geschlitzte Rohr (2) wird in seiner Länge so bemessen, dass es mit der über den Körper (1) zugeführten Longi- tudinalschwingung in Resonanz arbeitet, so dass also am Eingang wie am Ausgang ein Bewegungsbauch der Schwingung liegt.
In Figur 2 ist die im Prinzip bereits bekannte Form eines Geschwindigkeitstransformators als Stufenrüssel gewählt, bei welchem die entsprechenden Teilstücke je weils 1/4 Wellenlänge der zugehörigen Wellenart lang sind. Auch hier schwingt der Resonanzkörper (2) am Eingang und am Ausgang des Rohres (4) mit einem Bewegungsbauch, jedoch mit einer wesentlichen Tan- gentialkomponente, die in gleicher Weise wie in Figur 1 zustande kommt.
Derartige Stufenrüssel transformieren bekanntlich die Schwingungsamplitude beträchtlich und diese Wirkung wird im vorliegenden Falle noch da durch erhöht, dass anstelle des üblichen Vollzylinders ein Rohr (4) gewählt ist. Der durchlaufende Schlitz (3') gewährleistet eine gute Tangentialkomponente, gibt jedoch dem Rohr den Charakter einer strammen Feder und gestattet daher nicht, mit grossen Andrucken zu arbeiten.
In Figur 3 besteht der Resonanzkörper aus Dräh ten, welche die Achse spiralförmig umlaufen, wobei je der Draht selbst reine Longitudinalschwingungen paral lel zur Drahtachse ausführt. Die Länge jedes Drahtes ist so bemessen, dass er mit der angebotenen Frequenz in Längsresonanz schwingt. Der Wellenausgang, der Ring (6), wird somit sehr wirkungsvoll zu Tangential- schwingungen erregt, denen allerdings noch eine merk liche Komponente von Longitudinalschwingungen über lagert ist.
Um das Verhältnis von Tangential- zu Lon- gitudinalkomponente noch wesentlich zu Gunsten der Tangentialkomponente zu verbessern, würde es nahe- liegen, die Steigung der umlaufenden Drähte wesentlich geringer zu halten als in Figur 3 angegeben. Dies führt jedoch zu der Schwierigkeit, dass die Windungen am Welleneingang, dem Ring (7), bereits sehr schräg an gebracht werden müssten, was eine sehr plötzliche Um lenkung der Wellenfronten von Körperachse zur Draht achse zur Folge haben würde.
Aus der Theorie ist je doch bekannt, dass bei einer Umlenkung der Schwin- gungsrichtung bedeutende Verluste beziehungsweise eine Reflexion der Welle auftritt, wenn der Krüm- mungsradius des Leiters kleiner als 1/4 2 der zugehöri gen Welle wird. Diesen Gegebenheiten trägt die Figur 4 Rechnung, indem der Ring (7) in Achsenrichtung longitudinal erregt wird und sich diese Schwingung verlustlos auf die Drähte (5') überträgt, weil an der Ansatzfläche die Drahtachsen parallel zur Körperachse liegen.
Nunmehr werden die Drähte (5') so aufgewik- kelt, dass ihre Steigung sich stetig vermindert, jedoch so, dass der Krümmungsradius an keiner Stelle kleiner als 1/4 z wird. Dieses lässt sich insbesondere dann er reichen, wenn man die Länge der Drähte (5') gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge macht.
Man erkennt leicht, dass die Steigung am Aus gangsende um so geringer werden darf - und die ge wünschte Tangentialkomponente um so grösser - je grösser der Durchmesser des Ringes (6) ist, d. h. diese Anordnung wird gerade dann besonders günstig sein, wenn es darauf ankommt, Ringschweissungen von gros- sem Durchmesser zu erzielen. In diesem Falle würde dann der Resonanzkörper sich zweckmässig nach unten hin kegelförmig erweitern.