DE202007018292U1

DE202007018292U1 - Schwingungsantrieb

Info

Publication number: DE202007018292U1
Application number: DE202007018292U
Authority: DE
Original assignee: SINCOTEC PRUEFTECHNIK GmbH
Current assignee: Sincotec Holding De GmbH
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2017-01-09

Abstract

Schwingungsantrieb mit zwei Unwuchtrotoren (16. 16'), die in paralleler Ausrichtung ihrer Rotorachsen (18, 18') einander radial benachbart auf einem starren Träger (22) gegensinnig drehbar gelagert sind, wobei der Träger (22) über ein als ein Drehgelenk (24) mit parallel zu den Rotorachsen (18, 18') ausgerichteter Drehachse ausgebildetes Koppelelement (24) beweglich mit einer Aufnahmestruktur gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Unwuchtrotoren (16, 16') motorisch angetrieben ist, während der andere Unwuchtrotor (16, 16') passiv rotierbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsantrieb mit zwei Unwuchtrotoren, die in paralleler Ausrichtung ihrer Rotorachsen einander radial benachbart auf einem starren Träger gegensinnig drehbar gelagert sind, wobei der Träger über ein als ein Drehgelenk mit parallel zu den Rotorachsen ausgerichteter Drehachse ausgebildetes Koppelelement beweglich mit einer Aufnahmestruktur gekoppelt ist.
Stand der Technik
Aus der DE 197 41 413 C2 ist ein Schwingungsantrieb bekannt, bei dem zwei Unwuchtrotoren mit im Wesentlichen gleichem Trägheitsmoment nebeneinander auf einem weitgehend starren Träger drehbar gelagert sind. Unter einem Unwuchtrotor sei im Rahmen dieser Beschreibung ein rotierbares Element mit exzentrischer Massenverteilung verstanden. Der bekannte Schwingungsantrieb dient zur Erzeugung gerichteter Schwingungen. Hierzu werden die beiden Unwuchtrotoren gegensinnig angetrieben, sodass sich bei synchronem Lauf diejenigen Schwingungskomponenten, die parallel zu einer nachfolgend als Rotorachsenebene bezeichneten, von den Rotorachsen aufgespannten Ebene liegen, gegenseitig aufheben, während sich senkrecht zur Rotorachsenebene gerichtete Schwingungskomponenten addieren. Dieses Prinzip der Erzeugung gerichteter Schwingungen ist hinlänglich bekannt und wird vielfach eingesetzt.
Üblicherweise sind die Unwuchtrotoren zwangssynchronisiert, sei es auf elektronische oder auf mechanische Weise, wie beispielsweise über ein Zahnradgetriebe oder eine Kette, einen Zahnriemen oder ähnliches. Diese Zwangssynchronisierung, die sehr exakt zu erfolgen hat, wirft im Hinblick auf die Auslegung, präzise Realisierung und Robustheit im Einsatz vielfältige Probleme auf. Es sind etliche Ansätze bekannt, die Synchronisierung in Nuancen einstellbar zu machen. Die DE 41 30 231 A1 sowie die DE 42 25 564 C1 offenbaren jeweils Ansätze, bei denen Komponenten von mehrteiligen Unwuchtgewichten relativ zueinander verstellbar sind.
Die zuvor genannte DE 197 41 413 C2 geht jedoch davon aus, dass eine Zwangssynchronisierung der Unwuchtrotoren überflüssig ist, wenn beide Rotoren auf einem starren Träger gelagert sind, der seinerseits beweglich zu einer Aufnahmestruktur angeordnet ist, in welche die erzeugten, gerichteten Schwingungen eingeleitet werden sollen. Nach der Lehre der genannten Druckschrift erfolgt bei einer solchen Anordnung eine Synchronisierung der gegenläufig mit gleicher Drehzahl angetriebenen Rotoren automatisch. Die bewegliche Kopplung zwischen dem Träger und der Aufnahmestruktur erfolgt über Halterungen mit gummielastischer Federung. Allerdings ist der genannten Druckschrift auch zu entnehmen, dass auch Schwingungskomponenten parallel zur Rotorachsenebene auf die Aufnahmestruktur übertragen werden. Dies steht der bei vielen Anwendungen wesentlichen Anforderung nach einer rein senkrechten Schwingungseinleitung entgegen.
Aus der US 2,531,706 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt, bei der der Träger starr mit der Aufnahmestruktur verbunden und selbst in geringem Maße biegeschwingfähig ist. Gemäß der Lehre dieser Druckschrift erfolgt eine automatische Synchronisierung der Unwuchtrotoren durch Biegeschwingungsübertragung in dem Träger, sofern die Unwuchtrotoren in geeigneter Weise relativ zu den Biegeschwingungsbäuchen und -knoten des Trägers positioniert sind. Diese Druckschrift erwähnt auch die Möglichkeit, nur einen der Unwuchtrotoren motorisch anzutreiben und den zweiten mit im Wesentlichen gleicher Wirkung synchron, aber passiv mitlaufen zu lassen. Nach der Lehre der Druckschrift gelangen die Unwuchtrotoren, sofern sie symmetrisch zueinander angeordnet sind, aufgrund von Resonanzeffekten der von ihnen selbst induzierten Biegeschwingungen in ihre korrekte Position, indem sich im Resonanzfall jeweils ein Biegeschwingungsbauch am Ort jedes Rotors einstellt. Nachteilig bei diesem Schwingungsantrieb ist, dass die gewünschte Wirkung der Erzeugung rein gerichteter Schwingungen stark von der Position der einzelnen Unwuchtrotoren in Relation zu den Biegeschwingungsbäuchen und -knoten des Trägers abhängt. Die Positionen der Schwingungsbäuche und -knoten ist jedoch von der aktuellen Schwingungsfrequenz abhängig. Beim Durchfahren eines Frequenzbandes muss daher mit frequenzabhängiger Übertragung unerwünschter Parallelkomponenten der Schwingung gerechnet werden.
Aus dem Bereich der Schüttgutverdichtung sind so genannte Pendelrüttler bekannt. Beim Pendelrüttler wird ein einzelner Unwuchtrotor (oder eine Mehrzahl colinear hintereinander, gleichsinnig angetriebener Unwuchtrotoren) zur Erzeugung einer Schwingung mit gleichstarken Vertikal- und Horizontalkomponenten eingesetzt. Die Kompensation der Horizontalkomponenten erfolgt durch eine dem Unwuchtgewicht entgegengesetzte Pendelbewegung des gesamten Gerätegehäuses, das mit einem Drehgelenk mit parallel zur Rotorachse ausgerichteter Pendelachse mit einer Rüttelplatte gekoppelt ist. Nachteilig beim Pendelrüttler ist die starke Belastung der beteiligten Lager, die daher hochpräzise und schwer ausgeführt werden müssen.
Weiter sind aus dem Bereich der Resonanzprüftechnik Resonanzprüfmaschinen bekannt, bei denen eine exakt gerichtete Schwingung in einen Prüfkörper einzuleiten ist. Die Schwingungsfrequenz wird dabei auf eine Resonanzfrequenz des Gesamtsystems einschließlich Schwingungsantrieb und Prüfkörper eingestellt. Diese kann für unterschiedliche Prüfkörper und unterschiedliche Abstimmungen der beteiligten Masse-Feder-Systeme stark variieren. Der Schwingungsantrieb muss daher zur Abdeckung eines weiten Frequenzbereichs in der Lage sein. Die Verwendung exakt gerichteter Schwingungen ist dabei von besonderer Bedeutung, da unerwünschte Querkomponenten zum einen zur Verfälschung des Prüfergebnisses und zum anderen zur Schädigung der bei Betrieb höchst beanspruchten Vorrichtungen führen können. Bei den Resonanzprüfmaschinen, wie Sie beispielsweise aus der DE 103 08 094 A1 bekannt sind, wird daher bei Verwendung von gegensinnig drehenden Unwuchtrotoren großer Aufwand für eine exakte Synchronisierung getrieben. Dies ist im Hinblick auf Kosten und Komplexität nachteilig.
Ein gattungsgemäßer Schwingungsantrieb ist aus der DE 23 61 183 B2 bekannt. Dort sind zwei baugleiche, mit etwa gleicher Drehzahl angetriebene Unwuchtrotoren auf zwei Armen eines wippenartigen Trägers festgelegt, der um eine Drehachse, die parallel zu den Achsen der Unwuchtrotoren steht, schwingen kann. Die Drehachse ist in einer starren Aufnahmestruktur gelagert, die die erzeugten, senkrechten Schwingungen aufnimmt und nach unten an eine an sie angeschlossene Schwingungsstruktur weiterleitet. Durch Dämpfungsglieder, die sich zwischen den Wippenarmen des Trägers und der Aufnahmestruktur erstrecken, wird die Wippe in Ruhe in einer Gleichgewichtsstellung gehalten. Nachteilig bei diesem Antrieb ist das Erfordernis zweier angetriebener Elemente, was zu hohen Kosten und einem komplizierten elektrischen Aufbau sowie zu einem hohen Energieverbrauch führt.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Schwingungsantrieb derart weiterzubilden, dass er einfacher und kostengünstiger herstellbar bzw. betreibbar ist.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch einen Schwingungsantrieb gemäß Anspruch 1 und eine Resonanzprüfmaschine gemäß Anspruch 7 gelöst.
Die Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Schwingungsantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch auf, dass einer der Unwuchtrotoren motorisch angetrieben ist, während der andere Unwuchtrotor passiv rotierbar ist.
Die Erfindung baut weiter auf einer bekannten Resonanzprüfmaschine dadurch auf, dass deren Schwingungsantrieb als ein erfindungsgemäßer Schwingungsantrieb ausgestaltet wird.
Durch die parallele Anordnung zweier vorzugsweise im Wesentlichen baugleicher Unwuchtrotoren auf einem starren Träger, der gegenüber der Aufnahmestruktur, in die die gerichteten Schwingungen einzuleiten sind, beweglich ist, wird eine Selbstsynchronisierung der beteiligten Unwuchtrotoren erreicht. Der hieraus resultierende Nachteil der Erzeugung nicht in allen Fällen exakt gerichteter Schwingungen aufgrund nicht perfekter Synchronisierung wird kompensiert, indem die Beweglichkeit des Trägers gegenüber der Aufnahmestruktur eingeschränkt wird. Die Einschränkung erfolgt durch eine Kopplung der senkrecht zueinander stehenden Bewegungsfreiheitsgrade mittels eines Drehgelenks Auf diese Weise können die unerwünschten, parallel zur Rotorachsenebene ausgerichteten Schwingungskomponenten durch die um die Drehachse kippende Masse des Trägers samt der mit ihm gekoppelten Rotoren kompensiert werden. In der Folge werden rein senkrecht zur Rotorachsenebene gerichtete Schwingungen in die Aufnahmestruktur eingeleitet; andererseits ist die Konstruktion des erfindungsgemäßen Schwingungsantriebs nicht komplizierter als der bekannter Vorrichtungen und bedarf insbesondere keiner übermäßig robusten und schweren Auslegung.
Bei Betrieb ist erfindungsgemäß nur einer der zwei Unwuchtrotoren motorisch angetrieben. Im Fall der Ausgestaltung der Unwuchtrotoren als baugleiche Elektromotoren bedeutet dies, dass nur einer der Motoren bestromt wird. Der zweite Unwuchtrotor wird sich nach einer gewissen Einschwingzeit synchron und gegensinnig mit dem ersten Rotor drehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
So ist es insbesondere günstig, wenn die Drehachse in einer Drehachsenebene liegt, die senkrecht zu der von den Rotorachsen aufgespannten Rotorachsenebene und zwischen diesen Rotorachsen steht. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Unwuchtrotoren im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind und die Drehachsenebene mittig zwischen den Rotorachsen steht. Die baugleiche Ausführung der Unwuchtrotoren hat insbesondere die Konsequenz eines gleichen Trägheitsmomentes der Unwuchtrotoren. Bei mittig zwischen den Rotorachsen stehender Drehachsenebene können die parallel zur Rotorachsenebene ausgerichteten Schwingungskomponenten durch eine symmetrische und harmonische Kippbewegung um die Drehachse kompensiert werden. Günstigerweise werden die Unwuchtrotoren als baugleiche Elektromotoren ausgestaltet, an deren Ausgangswellen jeweils ein oder mehrere baugleiche Unwuchtgewichte drehfest angeordnet sind.
Zur Nutzung der erzeugten, gerichteten Schwingungen ist es günstig, wenn die Aufnahmestruktur starr mit einer Schwingungseinleitungsstruktur einer zu gerichteten Schwingungen anzuregenden Vibrationsvorrichtung verbunden ist. Eine solche Vibrationsvorrichtung kann beispielsweise eine Resonanzprüfmaschine zur Einleitung einer resonanten Vibration in einem Prüfkörper sein. Solche Resonanzprüfmaschinen umfassen üblicherweise die mit dem Prüfkörper gekoppelte Schwingungseinleitungsstruktur und eine Mess- und Steuerschaltung zur Ansteuerung des Schwingungsantriebs und zur Erfassung des Vibrationsverhaltens des Prüfkörpers.
Günstigerweise ist die Schwingungseinleitungsstruktur der Vibrationsvorrichtung derart ausgestaltet, dass die Unwuchtrotoren unterhalb der Aufnahmestruktur und des Drehgelenks angeordnet sind, d. h. dass der Träger und die Unwuchtrotoren im Wesentlichen an dem Drehgelenk hängen. Auf diese Weise wird bei symmetrischer Ausgestaltung stets eine mittige Ruhelage eingestellt, um die der Träger pendeln kann. Dadurch wird eine unsymmetrische Kompensation der unerwünschten Schwingungskomponenten vermieden. Selbstverständlich ist alternativ auch eine stehende Anordnung des erfindungsgemäßen Schwingungsantriebs möglich. Dabei ist es jedoch vorteilhaft, wenn das Drehgelenk vorstabilisiert ist. Dies kann beispielsweise durch Federvorspannung, etwa durch Anordnung zweier seitlicher Blattfedern erfolgen.
Wie erwähnt, ist es dank der vorliegenden Erfindung zwar nicht erforderlich, die Unwuchtrotoren aktiv zu synchronisieren; in besonderen Anwendungsfällen kann dies jedoch dennoch vorteilhaft sein, etwa wenn der Grad der erreichten Schwingungsrichtung für die spezielle Anwendung noch nicht ausreicht oder wenn im Gegenteil gezielt auch parallele Komponenten der Schwingung übertragen werden sollen. In einem solchen Fall kann die Synchronisierung z. B. mechanisch erfolgen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigt
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schwingungsantriebs.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schwingungsantriebs 10, der mit einer nur angedeuteten Vibrationsvorrichtung 12 gekoppelt ist, in die gerichtete Schwingungen (symbolisiert durch die Schwingungspfeile 14) eingeleitet werden sollen.
Der Schwingungsantrieb 10 umfasst zwei baugleiche Elektromotoren 16, 16', an deren Wellen 18, 18' jeweils gleich ausgestaltete Unwuchtmassen 20, 20' drehfest angebracht sind. Die Motoren 16, 16' sind fest auf einem steifen Träger 22 (z. B. einer Stahlplatte) angeordnet. Der Träger 22 ist über ein Drehgelenk 24 mit einer Grundplatte 26 gekoppelt, die ihrerseits starr mit der Vibrationsvorrichtung, bzw. deren in 1 nicht gesondert dargestellten Schwingungseinleitungsstruktur verbunden ist.
Bei Betrieb wird nur einer der Motoren 16, 16' bestromt. Der zweite Motor 16', 16 wird dann allein durch die in einer Einschwingphase starken Pendelbewegungen um die Drehachse 24 in Schwung versetzt und läuft passiv mit, wobei nach der Einschwingphase ein im Wesentlichen synchroner, einander entgegengesetzter Lauf (symbolisiert durch die Drehpfeile 28, 28') der Unwuchtmaßen 20, 20' zu beobachten ist. Die Unwuchtmassen 20, 20' erzeugen dabei jeweils Schwingungskomponenten parallel und senkrecht zu einer von den Rotorachsen 18, 18' aufgespannten Rotorachsenebene 30. während sich die zur Rotorachsenebene 30 parallelen Schwingungskomponenten aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtungen gegeneinander aufheben, addieren sich die zur Ebene 30 senkrechten Komponenten. Die erwünschten, senkrechten Komponenten werden über das Drehgelenk 24 auf die Grundplatte 26 und in die Vibrationsvorrichtung 12 eingeleitet.
Wie oben genauer erläutert, ist keine aktive Synchronisierung der Motoren 16, 16' erforderlich. Vielmehr stellt sich eine Synchronisierung automatisch ein, da die Motoren über das Drehgelenk 24 schwingungstechnisch miteinander gekoppelt sind. Bei beginnender Desynchronisierung treten zur Rotorachsenebene 30 parallele Schwingungskomponenten auf, die zu einer Pendelbewegung (symbolisiert durch den Drehpfeil 32) um die Drehachse 24 führen. Diese Pendelbewegung wiederum hat eine Rückwirkung auf die Motoren 16, 16', die hierdurch resynchronisiert werden.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Motoren 16, 16', wie erwähnt, baugleich. Entsprechend ist der Schwingungsantrieb 10 symmetrisch aufgebaut, sodass eine senkrecht zur Rotorachsenebene 30 stehende und von der Drehachse 24 aufgespannte Drehachsenebene 34 mittig zwischen den Rotoren 16, 16' steht. Grundsätzlich ist auch die Verwendung ungleicher Unwuchtrotoren in ungleichem Abstand von der Drehachsenebene 34 denkbar, wobei dann jedoch eine sehr genaue Abstimmung der Unwuchtmassen und Abstände erfolgen muss, sodass eine solche Ausführungsform nicht bevorzugt wird.
Natürlich stellt die in der speziellen Beschreibung diskutierte und in der Figur gezeigte Ausführungsform nur ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Im Rahmen der hier offenbarten Lehre ist dem Fachmann ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere können die Abmessungen, Massen und Drehzahlen der einzelnen Elemente an die konkrete Anwendung angepasst werden.

10: Schwingungsantrieb
12: Vibrationsvorrichtung
14: Schwingungspfeil
16: Unwuchtrotor
16': Unwuchtrotor
18: Rotorachse
18': Rotorachse
20: Unwuchtmasse
20: Unwuchtmasse
22: Träger
24: Drehgelenk/Drehachse
26: Aufnahmestruktur
28: Drehpfeil
28': Drehpfeil
30: Rotorachsenebene
32: Drehpfeil
34: Drehachsenebene

Claims

Schwingungsantrieb mit zwei Unwuchtrotoren (16. 16'), die in paralleler Ausrichtung ihrer Rotorachsen (18, 18') einander radial benachbart auf einem starren Träger (22) gegensinnig drehbar gelagert sind, wobei der Träger (22) über ein als ein Drehgelenk (24) mit parallel zu den Rotorachsen (18, 18') ausgerichteter Drehachse ausgebildetes Koppelelement (24) beweglich mit einer Aufnahmestruktur gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Unwuchtrotoren (16, 16') motorisch angetrieben ist, während der andere Unwuchtrotor (16, 16') passiv rotierbar ist.
Schwingungsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (24) in einer Drehachsenebene (34) liegt, die senkrecht zu einer von den Rotorachsen (18, 18') aufgespannten Rotorachsenebene (30) und zwischen diesen Rotorachsen (18, 18') steht.
Schwingungsantrieb nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtrotoren (16, 16') im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind und die Drehachsenebene (34) mittig zwischen den Rotorachsen (18, 18') steht.
Schwingungsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmestruktur (26) starr mit einer Schwingungseinleitungsstruktur einer zu gerichteten Schwingungen anzuregenden Vibrationsvorrichtung (12) verbunden ist.
Schwingungsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mit der Schwingungseinleitungsstruktur derart ausgestaltet ist, dass die Unwuchtrotoren (16, 16') unterhalb der Aufnahmestruktur (26) und des Drehgelenks (24) angeordnet sind.
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsvorrichtung (12) eine Resonanzprüfmaschine ist.
Resonanzprüfmaschine zur Einleitung einer resonanten Vibration in einen Prüfkörper, umfassend eine mit dem Prüfkörper gekoppelte Schwingungseinleitungsstruktur, einen mit der Schwingungseinleitungsstruktur gekoppelten Schwingungsantrieb (10) und eine Mess- und Steuerschaltung zur Ansteuerung des Schwingungsantriebs und zur Erfassung eines Vibrationsverhaltens des Prüfkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsantrieb ein Schwingungsantrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche ist.