DE19718321C1 - Verfahren zum Auswuchten von rotierenden Körpern - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswuchten von rotierenden Körpern unter Verwen
dung einer Vorrichtung, bestehend aus mindestens einer mit dem Körper umlaufenden, kon
zentrisch zu seiner Rotationsachse angeordneten kreisringförmigen Laufbahn, innerhalb der
mindestens zwei Gewichte frei beweglich angeordnet sind.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 640 192 B1 bekannt. Dabei handelt es
sich um einen sogenannten Kugelauswuchter, bei dem innerhalb der Laufbahn Kugeln frei
beweglich angeordnet sind.
Der Nachteil eines Kugelauswuchters besteht darin, daß er seine kompensatorische Wirkung
erst oberhalb der Resonanzfrequenz bzw. kritischen Drehzahl des Systems entfaltet, in dem
der rotierende Körper gelagert ist (s. bspw. Kellenberger: Elastisches Wuchten; Springer
Verlag; S. 402f). Im unterkritischen Drehzahlbereich wird die vorhandene Unwucht sogar
verstärkt. Deshalb liegt das Hauptanwendungsgebiet eines automatischen Kugelauswuchters
bei schnell rotierenden Maschinen mit einer konstanten Drehzahl oberhalb aller auftretenden
Resonanzfrequenzen. Es besteht jedoch der Wunsch, den automatischen Kugelauswuchter
beispielsweise auch beim Schleuderhochlauf eines Waschautomaten mit horizontaler
Rotationsachse zu nutzen. Dabei sollen sowohl die Amplituden im eingeschwungenen
überkritischen Zustand als auch beim Durchfahren durch die Resonanzen reduziert werden.
Aus der EP 0 349 798 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung des Schleudervorgangs bei Wasch
maschinen bekannt, bei dem die Trommel aus einer festen, zuvor ermitttelten Position der
Unwucht heraus beschleunigt wird. Dieses Verfahren soll zur Verringerung von unwucht
bedingten Auslenkungen des schwingenden Systems der Waschmaschine, jedoch nicht zur
Beseitigung bzw. Verminderung der Unwucht führen.
Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Aus
wuchten von rotierenden Körpern der eingangs genannten Art zu offenbaren, welche(s) im
unterkritischen Bereich nicht zu einer Verstärkung der Unwucht führt.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1
angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver
fahrens und vorteilhafte Ausgestaltungen einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah
rens ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile resultieren daraus, daß die Beschleunigung des
Körpers aus einer definierten Position heraus erfolgt, in der die Gewichte die Unwucht zunächst
ganz oder teilweise kompensieren. Auf diese Weise können statistisch gesehen geringere
Schwingungsamplituden des auszuwuchtenden Körpers als bei einer zufälligen Anfangsver
teilung der Gewichte erwartet werden. Dabei wird die Drehzahl vor dem Erreichen der
kritischen Drehzahl vorteilhafterweise sprunghaft oder zumindestens sehr schnell erhöht, um
das Ausrichten der Gewichte in eine die Unwucht verstärkende Position zu verhindern.
Bei Waschmaschinen ist es vorteilhaft, die Position der Unwucht während des Schleuder
hochlaufs im Verteil- oder Anlegedrehzahlbereich festzustellen. Hier hat die Wäsche bereits
eine feste Position eingenommen, d. h., die evtl. durch ungünstige Wäscheverteilung ent
standene Unwucht ist stationär.
Bei einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in
der Laufbahn ein Mittel zur Erhöhung der Laufreibung der Gewichte angeordnet. Bei einer
horizontalen Rotationsachse des Körpers wird durch ein solches Mittel sichergestellt, daß die
Kugeln mit der Laufbahn rotieren und nicht aufgrund ihrer Schwerkraft im unteren Bereich der
Bahn abrollen. Hier bewährt sich ein viskoses Dämpfungsmittel, insbesondere Öl, da Flüssig
keiten mit geringer Viskosität den gewünschten Effekt nicht erbringen und hochviskose Massen
oder Sand die Ausrichtung der Kugeln im überkritischen Bereich stören. Solche Dämpfungs
mittel führen bei ihrer Entsorgung leider zu erheblichen Problemen. Außerdem ist ihre Visko
sität stark temperaturabhängig, so daß ihr Einsatz bei rotierenden Körpern mit schwankender
Temperatur, beispielsweise bei Waschmaschinentrommeln in Laugenbehältern mit unter
schiedlich temperierter Lauge, Schwierigkeiten bereitet.
Bei einem solchen Anwendungsfall ist es vorteilhaft, wenn eine Temperaturerfassungsein
richtung die Umgebungstemperatur der Laufbahn erfaßt und wenn eine Steuereinrichtung den
Körper aus einer von der Umgebungstemperatur und der Position der Unwucht abhängigen
Stellung auf die zweite Drehzahl beschleunigt. Hierdurch können die Temperatureinflüsse des
Dämpfungsmittels auf die Position der Kugeln vor dem Beschleunigen auf die überkritische
Drehzahl verringert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und
wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Trommelwaschmaschine (1) und schematisch die Einrichtung zur
Unwuchtsensierung
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Waschmaschinentrommel (3) mit zwei
Auswuchtsystemen (11)
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Laufbahn,
Fig. 4 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm
Fig. 5-7 das drehzahlabhängige Verhalten des Auswuchtsystems anhand von
Längsschnitten durch eine Laufbahn
Fig. 8 einen Längsschnitt durch ein Auswuchtsystem mit Kugelzügen
In der Fig. 1 ist eine Trommelwaschmaschine (1) mit einem schwingfähig aufgehängten
Innenaggregat schematisch dargestellt. In einem Laugenbehälter (2) ist eine Wäsche
trommel (3) drehbar gelagert und wird von einem Elektromotor (4) angetrieben. Die
Regelung (6) des Motors (4) und eine Einrichtung (7) zur Erfassung der Unwucht (15) der
Trommel (3) sind in einer Mikroprozessor-Steuerung (5) integriert. Als Indiz für eine eventuell
vorliegende Unwucht (15) können die Schwankungen der Drehzahl, der Motorstromaufnahme
und/oder des Drehmoments ausgewertet werden. In dem vorliegenden Beispiel erzeugt der mit
der Motorwelle verbundene Tachogenerator (8) eine der jeweiligen Drehzahl der Wäsche
trommel (3) entsprechende Spannung. Um eine Steuergröße für die Mortorstromregelung (6)
zu erhalten, wird z. B. in bekannter Weise die vom Tachogenerator (8) erzeugte Ist-Spannung
mit einer der gewünschten Drehzahl entsprechenden Soll-Spannung (Bezugsspannung)
verglichen. Je nach Regelabweichung erfolgt eine Beeinflussung der Motorstellgröße.
In die Trommelkappe (9) und den Trommelboden (10) sind Auswuchtsysteme eingesetzt
(s. Fig. 2), wobei zum Herstellen der kreisringförmigen Laufbahnen (11) ein preisgünstiges
Tiefziehverfahren verwendet wird.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Laufbahn (12), wobei einzelne Kugeln (13) als Ge
wichte zu erkennen sind. Diese können sich in einer im Querschnitt kreisförmigen Lauf
bahn (12) meridional frei bewegen. Um die maximale Kompensation zu gewährleisten, muß
jede Laufbahn (12) in dichtester Packung in einem Winkelbereich α ≈ 180° mit Kugeln (13)
gefüllt werden. Damit bei horizontaler Rotationsachse die auf die Kugel (13) wirkende Schwer
kraft ab einer gewünschten Rotationsgeschwindigkeit überwunden wird und die Kugeln (13) von
der Laufbahn mitgenommen werden, muß diese mit einem viskosen Dämpfungsmittel (14)
gefüllt werden, wobei vorteilhafterweise Öl verwendet wird. Ohne dieses Dämpfungsmittel (14)
würden die Kugeln (13) lediglich der Rollreibung unterliegen und somit an der tiefsten Stelle der
Laufbahn (12) abrollen, ohne ihre kompensatorische Wirkung zu entfalten.
Die Funktionsweise der Auswuchtsysteme wird im Folgenden beschrieben:
Wie aus dem Diagramm in Fig. 4 zu erkennen ist, durchläuft die Wäschetrommel (3) beim
Beschleunigen von einer Waschdrehzahl nW einen Wäscheverteildrehzahlbereich tV. In diesem
Verteildrehzahlbereich tV wird die Wäsche gut am Trommelumfang verteilt, damit eine bessere
Entwässerung der Wäsche und eine geringstmögliche Unwucht (15) erreicht wird. Je nach Pro
grammsteuerung kann im Anschluß an den Wäscheverteildrehzahlbereich tV ein Wäschean
legedrehzahlbereich tA mit konstanter Anlegedrehzahl nA durchfahren werden. Im Verteildreh
zahlbereich tV und/oder im Wäscheanlegedrehzahlbereich tA wird eine eventuell vorhandene
Unwucht (15) von der Mikroprozessor-Steuerung (5) der Trommelwaschmaschine (1) sensiert.
Die Sensierung der Größe und der Position der Unwucht (15) erfolgt durch die Auswertung der
Schwankungen der Drehzahl, des Motorstroms oder des Drehmoments in bezug auf die Motor
ansteuerung. Dabei ist die Größe der Drehzahländerung ein Maß für die Größe der Un
wucht (15). Die Drehzahl, die Mortorstromaufnahme bzw. das Drehmoment geben Aufschluß
über die Position der Unwucht (15) in der Trommel (3).
Bei Drehung mit Wäscheanlegedrehzahl nA unterliegen die Kugeln (13) noch der Schwerkraft
und versuchen, zur tiefsten Stelle der Laufbahn (12) abzurollen. Durch Rollreibung und durch
das viskose Dämpfungsmittel (14) erfolgt jedoch bereits eine Auslenkung in Drehrichtung
(s. Fig. 5). Erfolgt nun ein relativ schneller Hochlauf auf die Schleuderdrehzahl nS, so ver
harren die Kugeln (13), wie in Fig. 6 dargestellt, als kompakte Kompensationsmasse beim
Durchgang durch die Resonanzdrehzahl nR, bevor sie sich in der überkritischen Phase
oberhalb nR korrekt verteilen (s. Fig. 7).
Wenn sich die Unwucht (15) unmittelbar vor dem Schleuderhochlauf (Rechtslauf), wie in Fig. 6
dargestellt, gegenüber dem Schwerpunkt des Gewichts, also dem Gesamtschwerpunkt S aller
Kugeln (13) befindet, ist sichergestellt, daß die Zentrifugalkraft der Kugeln (13) und der
Unwucht (15) einander entgegenwirken. Statistisch gesehen können dann geringere Ampli
tuden beim Resonanzdurchgang erwartet werden.
Die Mikroprozessor-Steuerung (5) sensiert deshalb zuerst die Lage der Unwucht (15) und,
startet den Schleuderhochlauf erfindungsgemäß genau dann, wenn sich Unwucht (15) und
Kugelschwerpunkt diametral gegenüberstehen. Dabei ist zu beachten, daß der Mikroprozessor-
Steuerung (5) die Lage des Schwerpunktes (S) bekannt sein muß. Eine Sensierung mit Hilfe
von Positionssensoren ist bei einer Verwendung von mehreren Einzelkugeln (13) mit
vertretbarem Aufwand nicht möglich. Deshalb muß das Abrollverhalten der Kugeln (13) zuvor in
Versuchsreihen beobachtet und die reibungsabhängige Position des Schwerpunktes (S) in
einem Speicher der Mikroprozessor-Steuerung abgelegt werden. Entscheidend ist dabei die
Tatsache, daß die viskose Dämpfung über einen bei Trommelwaschmaschinen (1) mit
unterschiedlicher Laugentemperatur relevanten Temperaturbereich zwischen 20°C und 70°C
mindestens um den Faktor 2 variiert, da keine viskosstabileren Flüssigkeiten bekannt sind. Der
Phasenwinkel der Unwuchtposition beim Schleuderhochlauf muß deshalb in Abhängigkeit von
der Temperatur (θ) variiert werden, da sich je nach viskoser Dämpfung die Ablaufposition der
Kugeln (13) im unterkritischen Drehzahlbereich ändert. Ebenso muß die Hochlaufbe
schleunigung modifiziert werden, weil sich die Zeit zum Verteilen der Kugeln (13) je nach
Viskosität des Dämpfungsmittels (14) ändert und erst damit eine Amplitudenreduktion beim
Resonanzdurchgang gewährleistet wird. Die Temperatur (θ) des Dämpfungsmittel ist mit der
Laugentemperatur identisch und kann deshalb durch einen vorhandenen Temperaturfühler (18)
am Laugenbehälter (2) erfaßt werden.
Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der statt einzelner Kugeln (13) Kugelzüge (16)
verwendet werden. An den Enden eines jeden Kugelzuges (16) befindet sich jeweils ein
Bimetallplättchen (17), welches je nach Temperatur die Spaltweite zu den Rändern der Lauf
bahn (12) variiert und damit die viskose Dämpfung der Kugelzüge (16) konstant hält. In diesem
Falle wird das Anpassen der Hochlaufbeschleunigung sowie die temperaturabhängige Änder
ung des Phasenanschleuderwinkels entbehrlich. Ein weiterer Vorteil der Kugelzüge (16) besteht
darin, daß die Gleitreibung untereinander und das Zusammenstoßen der Kugeln (13)
unterbunden wird, was sich positiv auf die Geräuschsituation auswirkt.
Claims (11)
1. Verfahren zum Auswuchten von rotierenden Körpern unter Verwendung einer Vorrichtung,
bestehend aus einer mit dem Körper umlaufenden, konzentrisch zu seiner Rotationsachse
angeordneten kreisringförmigen Laufbahn (12), innerhalb der mindestens zwei
Gewichte (13; 16) frei beweglich angeordnet sind,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- 1. Beschleunigen des Körpers auf eine erste Drehzahl (nV; nA), in der sich eine stationäre Unwucht (15) ausbildet,
- 2. Erfassen der Position der Unwucht (15);
- 3. Weiterbeschleunigen des Körpers auf eine zweite Drehzahl (nS) oberhalb der kritischen Drehzahl des Körpers oder seines Lagersystems aus einer Position heraus, in der sich die Unwucht (15) gegenüber dem Schwerpunkt (S) der Gewichte befindet.
2. Verfahren zum Auswuchten von rotierenden Körpern nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Weiterbeschleunigen sprunghaft vor dem Erreichen der kritischen Drehzahl (nR)
erfolgt.
3. Verfahren zum Auswuchten der Trommel (3) einer Trommelwaschmaschine (1) nach einem
der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Position der Unwucht (15) während des Schleuderhochlaufs im Verteil- oder
Anlegedrehzahlbereich (tV; tA) erfaßt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Auswuchten von rotierenden Körpern,
insbesondere der Trommel (3) einer Trommelwaschmaschine (1), nach einem der Ansprüche 1
bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Laufbahn (12) ein Mittel zur Erhöhung der Laufreibung der Gewichte angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufbahn (12) mindestens teilweise mit einem viskosen Dämpfungsmittel (14) gefüllt
ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung der Größe und der Position einer
Unwucht (15) anhand einer drehzahlabhängigen Kenngröße des Antriebsmotors (14) zum
Drehen des Körpers.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Temperaturerfassungseinrichtung (18) die Temperatur () des viskosen
Dämpfungsmittels (14) erfaßt und daß eine Steuereinrichtung den Körper aus einer von der
Temperatur und der Position der Unwucht (15) abhängigen Stellung auf die zweite
Drehzahl (nS) beschleunigt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung die Geschwindigkeit des Drehzahlanstiegs temperaturabhängig
regelt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Gewichte Kugeln (13) verwendet werden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Gewichte Kugelzüge (16) verwendet werden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den Kugelzügen (16) mindestens eine Platte (17) angeordnet ist, die senkrecht zur
Bewegungsrichtung eine temperaturabhängig änderbare Querschnittsfläche besitzt.
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