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Die vorliegende Zusatzerfindung betrifft ein Arbeitsschwinggerät nach
Patentanmeldung P 12 89 344. 6-24 mit einem schwingenden, zur übertragung von kinetischer
Energie auf einen zu bearbeitenden Gegenstand vorgesehenen Arbeitsglied.
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Es ist eine große Anzahl arbeitsleistender mechanischer Schwinger
bekanntgeworden. Die arbeitsleistenden Amplituden dieser Schwinger werden entweder
durch erzwungene Schwingungen oder durch Resonanzschwingungen eines Feder-Massen-Schwingsystems
erzeugt. Die Betriebs- oder Arbeitsfrequenz vieler dieser Schwinger, namentlich
solcher größerer Maschinen und Geräte, liegen im Bereich zwischen 10 und 100 Hz.
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Es sind auch mechanische Arbeit leistende Resonanzschwinger mit sehr
hoher Frequenz, die sogenannten Ultraschallschwinger, bekanntgeworden.
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In den meisten Fällen geben die Schwinger eine Arbeit dadurch ab,
daß ein schwingender (Masse-)-teil des Schwingungssystems gegen das zu bearbeitende
oder zu befördernde Material stößt oder drückt. In manchen Sonderfällen wird auch
die Arbeit dem Schwinger dadurch entnommen, daß die Zugphase des Schwingers ausgenutzt
wird, wenn z. B. Rüttelbären (Vibrations-Rammbären) zum Ausziehen von Spundbohlen
od. dgl. verwendet werden, d. h., die statische Zugbelastung der Zieheinrichtung
wird durch die schwellenden Kräfte des Schwingers in Zugrichtung überlagert.
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Es sind auch Schwinger bekanntgeworden, deren Aufgabe es ist, in erster
Linie schwingende Kräfte zu erzeugen, z. B. bei Dauerprüfmaschinen, welchen außer
der Deckung der Verlustarbeit nur im Falle einer Zerstörung des Versuchsobjekts
eine echte, aber verhältnismäßig kleine mechanische Arbeit abverlangt wird.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb von Schwingungserzeugern bekannt,
bei dem der Erregerstrom des Schwingungserzeugers während des Betriebes in solchen,
nach Maßgabe der Abstimmung bemessenen Zeitabständen wiederholt ein- und ausgeschaltet
wird, so daß die Schwingungsamplitude während einer jeden Einschaltzeit auf Werte
kommt, die größer sind als ihr Betriebswert im Dauerzustand.
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Weiterhin ist eine Schwinganordnung zur Förderung von Schüttgut bekannt,
bei der der Schwingantrieb für sich ein Zweimassensystem darstellt, während das
Förderelement als dritte Masse durch eine weiche Federung derart mit einer Masse
des Zweimassensystems gekoppelt ist, daß es mit einem Bruchteil der Schwingungsfrequenz
des Zweimassensystems schwingt, wobei bei dieser Teilfrequenz jeweils ein Stoß zwischen
Masse und Förderelement erfolgt.
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Es sind weiterhin elektromagnetische Vibrationsmotore aus zwei miteinander
federnd verbundenen, schwingenden Massen, von denen die eine frei schwingend angeordnet
und die andere dazu bestimmt ist, mit dem zu vibrierenden Apparat verbunden zu werden,
bekannt, wobei die Eigenschwingungszahl des kombinierten Systems mit der Wechselstromfrequenz
übereinstimmt.
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Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen zum
Verdichten und Fördern von Materialien bekannt, die aus zwei miteinander gekoppelten
Schwingsystemen mit einem gemeinsamen Erreger besteht, wobei die Antriebsdrehzahl
gleich der Resonanzfrequenz ist. Die Schwingungen werden mittels exzentrischer Unwuchtmassen
erzeugt. Diejenigen mechanische Arbeit leistenden Schwinger, die die Arbeit dadurch
abgeben, daß sie mit ihrem Arbeitsschwingteil, wie z. B. Sieb, Förderrinne, Meißel,
Membranen (auch Schallwäschermembranen in der Zugphase der Schwingfeder), gegen
das zu bearbeitende Material drücken oder stoßen, haben den Nachteil, daß sie in
den meisten Fällen nur mit einer beschränkten Frequenz betrieben werden können,
weil sonst bei höheren Frequenzen die Zeit zwischen den einzelnen schnell folgenden
Amplituden bzw. die Beschleunigungskraft nicht mehr ausreicht, daß das zu bearbeitende
Material bzw. der Arbeitsschwingteil (z. B. Stoßmeißel) einander so nahe gebracht
werden, daß ein effektvoller Stoß zustande kommt. Wenn die Arbeitsleistung des Schwingers
dadurch zustande kommt, daß während einer endlichen Zeit der Arbeitsschwingteil
eine Kraft gegen einen äußeren Widerstand auf einer gewissen Wegstrecke ausführt,
so muß dazu in hinreichendem Maße die Möglichkeit gegeben sein.
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Weiterhin sind Arbeitsschwinger bekannt, die aus mehreren miteinander
gekoppelten Schwingsystemen bestehen und durch Erreger gleicher oder unterschiedlicher
Frequenzen angetrieben werden.
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Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist es, den Aufbau eines
Arbeitsschwinggerätes der genannten Art zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Schwinggerät
aus mindestens zwei miteinander gekoppelten Schwingsystemen mit einem gemeinsamen
Erreger besteht und daß die Eigenfrequenz mindestens eines Schwingsystems von der
Erregerfrequenz verschieden ist.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsform kennzeichnet
sich dadurch, daß die Baueinheit des ersten Schwingsystems über die Feder des zweiten
Schwingsystems mit einem als Gegenmasse wirkenden Gehäuse verbunden ist. Hierbei
wird die Baueinheit des ersten Schwingsystems zweckmäßig über die Feder des zweiten
Schwingsystems mit einem Gehäuse des Gesamtgerätes verbunden.
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Weiterhin ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, die Baueinheit
des ersten Schwingsystems als symmetrischen Längsschwinger, insbesondere als Halbwellenschwinger
mit an beiden Enden einer Längsschwingfeder angeordneten Massen auszubilden und
diese Baueinheit im Bereich eines Schwingungsknotens mit dem Gehäuse zu verbinden.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß nur der zum Aufschaukeln der Schwingungen
des zweiten Schwingsystems erforderliche Energieinhalt auf das Gehäuse übertragen
wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung
die Baueinheit des ersten Schwingsystems als Hochfrequenzschwinger und das durch
die Baueinheit als Masse, die Feder und das Gehäuse als Gegenmasse gebildete zweite
Schwingsystem als Niederfrequenzschwinger ausgebildet ist. Für bestimmte Anwendungen
ist es insbesondere zweckmäßig, die Frequenzverhältnisse derart einzustellen, daß
ein mit seiner Eigenfrequenz von der Erregerfrequenz abweichendes Schwingsystem
wahlweise durch Einleiten eines Impulses, insbesondere durch Anstoßen des Arbeitsgliedes
gegen den zu bearbeitenden Gegenstand in den Schwingbetrieb versetzbar ist.
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Die Vorteile eines solchen Gerätes bestehen vor allem darin, daß eine
wesentliche Erhöhung der Arbeitsfrequenz bei ausreichender Stoßleistung bzw.
ausreichemdem
Stoßimpuls und ohne unzulässig starke Dämpfung des Schwingsystems ermöglicht wird.
Diese Vorteile beruhen im wesentlichen darauf, daß einerseits durch die angeführte
Versetzung der Schwingungsumkehrpunkte der auf eine Periodendauer der Grundschwingung
entfallende Annäherungsweg bei gleicher Gesamtnäherung von Arbeitsglied und Gegenstand
zwischen aufeinanderfolgenden Stoßvorgängen vermindert bzw. umgekehrt bei gleicher
Anpreßkraft und somit gleicher Annäherung innerhalb einer Periodendauer eine größere
Gesamtannäherung zwischen aufeinanderfolgenden Stoßvorgängen und damit eine größere
Stoßstrecke erreicht wird.
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Außerdem ist es von besonderem Vorteil, daß ein Teil der Umkehrpunkte
nicht mehr zur Berührung mit dem Gegenstand führt und somit eine jeweils erneute
Aufspeicherung von Schwingungsenergie in den Pausen zwischen aufeinanderfolgenden
Stoßvorgängen ermöglicht wird.
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Bei allen Ausführungen mit mehreren Schwingsystemen, von denen mindestens
eines mit seiner Eigenfrequenz von der Erregerfrequenz abweicht, lassen sich die
Schwingungen des letzteren durch Anstoßen, z. B. durch manuelles Anschlagen des
Arbeitsgliedes an den zu bearbeitenden Gegenstand, beschleunigt aufschaukeln. Die
Schwingungsverhältnisse lassen sich bei solchen Geräten auch in einfacher Weise
so einstellen, daß z. B. ein niederfrequentes Schwingsystem von dem hochfrequenten
Erreger ohne Anstoßen unbeeinflußt und somit in Ruhe bleibt. Das Gerät kann dann
in einfachster Weise wahlweise als reiner Hochfrequenzschwinger oder als Stoßgerät
entsprechend der erfindungsgemäßen Arbeitsweise verwendet werden.
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Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen
schematisch angedeutet sind. Hierzu zeigt F i g. 1 in schematischer Form die Ausbildung
eines Arbeitsschwinggerätes mit einem gemeinsamen Erreger für zwei Schwingsysteme,
F i g. 2 eine andere Ausführung eines Arbeitsschwinggerätes mit gemeinsamen Erreger
für zwei Schwingsysteme, wobei das eine Schwingsystem mit dem Erreger insgesamt
die Masse des zweiten Schwingsystems bildet, und F i g. 3 die konstruktive Ausführung
eines Arbeitsschwinggerätes nach F i g. 2.
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Bei der Ausführung nach F i g.1 ist in einem Gehäuse 76 ein erstes
Schwingsystem, bestehend aus Masse 71 und Feder 72, sowie ein zweites Schwingsystem,
bestehend aus Masse 73 und Feder 74, angeordnet. Zu der Masse 71 des ersten Schwingsystems
gehört auch die Masse eines Arbeitsgliedes 77, welches in einem Gehäuse 76 verschiebbar
gelagert ist. Die Massen 71 und 73 sind über die zugehörigen Federn 72 bzw. 74 am
Gehäuse 76 aufgehängt, welch letzteres somit als Gegenmasse wirkt. Für beide Schwingsysteme
ist ein gemeinsamer Erreger 70 vorgesehen, der mit dem Schwingsystem 71, 72 über
dessen Masse 71 unmittelbar und mit dem Schwingsystem 73, 74 über eine Koppelfeder
75 verbunden ist. Ein solches Gerät arbeitet vorteilhaft im Schwebungsbetrieb mit
nur wenig gegeneinander verstimmten Schwingsystemen, wobei die Erregerfrequenz zwischen
beiden Eigenfrequenzen liegt.
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Eine andere Ausführung eines erfindungsgemäßen Gerätes mit einem Erreger
für zwei Schwingsysteme, die insbesondere für stark unterschiedliche Eigenfrequenzen
der gekoppelten Schwingsysteme geeignet ist, findet sich in F i g. 2. Das erste
Schwingsystem 101 besteht hier aus zwei symmetrisch angeordneten Massen
104 a und 104 b, welch letztere auch die Masse eines
Arbeitsgliedes 105 umfaßt, und zugehörigen Längsschwingfedern 103 a sowie
103 b.
Zwischen beiden Federn ist ein Erreger 100 im Schwingungsknoten des
so gebildeten Halbwellenschwingers angeordnet. Dieses erste Schwingsystem wird vorteilhaft
im Hochfrequenzbereich, insbesondere im Ultraschallbereich, betrieben, und zwar
mit übereinstimmender Eigen- und Erregerfrequenz.
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Das gesamte Schwingsystem 101 einschließlich des Erregers 100 bildet
die schwingende Masse für das zweite Schwingsystem 102. Letzteres besteht aus der
durch das erste Schwingsystem mit dem Erreger gebildeten Baueinheit als Masse, die
über eine am Erreger 100 befindliche Längsschwingfeder 106 innerhalb eines Gehäuses
107 aufgehängt ist. Beim Betrieb des Gerätes wird zunächst das hochfrequente Schwingsystem
101 unmittelbar angeregt, während das niederfrequente Schwingsystem 102 durch sogenanntes
»Aufpumpen« durch eine harmonische Unterschwingung der Erregerfrequenz bzw. einer
in der Erregerschwingung enthaltenen Frequenzkomponente in Resonanzschwingungen
versetzt wird. In der Relativbewegung der Masse 104 b bzw. des Arbeitsgliedes 105
zum Gehäuse 107 als Gegenmasse überlagern sich beide Schwingungen additiv, wodurch
sich der erfindungsgemäße Effekt mit erhöhter Stoßstrecke und periodischer Aufladung
der Schwingsysteme ergibt.
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Wenn die Neigung zur Schwingungsanfachung in dem mittelbar erregten
System, im Beispielsfall also dem Niederfrequenzschwinger, gering ist, so läßt sich
die Anfachung durch Einleiten einer impulsförmigen Störung beschleunigen. Dies kann
auf einfache Weise durch Anstoßen des Arbeitsgliedes 105 an den zu bearbeitenden
Gegenstand erfolgen. Die erwähnte Erscheinung erlaubt ferner eine besonders zweckmäßige
Ausnutzung. Hierzu wird die Schwingneigung des mittelbar erregten Systems z. B.
durch entsprechende Dämpfung in einem Koppelorgan bewußt so gering gehalten, daß
ohne besonderen Impuls keine Schwingungsanfachung erfolgt. Ein solches Gerät läßt
sich ohne besondere Schalteinrichtung wahlweise als reiner Hochfrequenzschwinger,
z. B. Für Vibrationszwecke od. dgl., und als Stoßgerät mit durch den erfindungsgemäßen
Effekt verstärkter Wirkung benutzen.
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In F i g. 3 ist die konstruktive Ausführung des Gerätes nach F i g.
2 veranschaulicht. Die entsprechenden Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das erste Schwingsystem 101 ist als langgestreckte Baueinheit
ausgebildet, die aus einer Meißelspitze als Arbeitsglied 105 bzw. Masse 104 b, zwei
dünnwandigen, hochvergüteten Stahlrohren als Längsschwingfedern 103 a und
103 b beiderseits des zentral angeordneten Erregers 100 und aus der
Gegenmasse 104 a besteht. Die Baueinheit des ersten Schwingungssystems bildet, wie
bereits erwähnt, einen symmetrischen Längsschwinger, insbesondere einen Halbwellenschwinger,
in dessen mittlerem Bereich ein Schwingungsknoten liegt.
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Hier ist die membranförmig ausgebildete Feder 106 des zweiten Schwingsystems
102 angeordnet, welche die Verbindung mit dem als Gegenmasse wirkenden
Gehäuse
107 herstellt. Der Erreger 100 arbeitet im Ultraschallbereich und ist als üblicher
Magnetostriktionsschwinger mit lamelliertem Kern 100 a und Wicklung 100 b ausgebildet.
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Im oberen Bereich des ersten Schwingsystems 101 ist noch eine der
Parallelführung des Arbeitsgliedes in Bezug auf das Gehäuse 107 dienende Membran
108 angeordnet, welche jedoch keine hochfrequenten Schwingungen auf das Gehäuse
107 überträgt. Somit ergibt die Anordnung der wirksamen Schwingfeder 106 des zweiten
Systems im Schwingungsknoten des ersten Systems den Vorteil, daß im wesentlichen
keine hochfrequenten Schwingungen an das Gehäuse gelangen.