DE2149232B2

DE2149232B2 - Dauerprüfeinrichtung für kleine S chraubenfedern

Info

Publication number: DE2149232B2
Application number: DE2149232A
Authority: DE
Inventors: Kenjiro Prof. Hamamatsu Ishida (Japan)
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 1970-10-01
Filing date: 1971-10-01
Publication date: 1974-02-14
Also published as: GB1371803A; CH543083A; FR2110904A5; JPS524956B1; US3733895A; DE2149232A1; DE2149232C3

Description

def zu" untersuche . .

Betrieb des Kurbe'.mechsmsmus ist jedoch unvermeidlich von Schwingungen begleitet, und die kurvenscheibe und die Rolle trennen sich voneinander bei hoher Geschwindigkeit, so daß die bekannten Dauerprüfemrichtungen bei hoher Geschwinüigxeit ungenau ^Ferner ist keine bekannte Federprüfeinrichiur.g in der Lage, die Dauerfestigkeit von kleinen Schraubenfedern mit einer Federkonstante von iü bis 100 p/mm zu prüfen. .

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Dauerprüfeinrichtung für Schraubenfedern mit einem verbesserten Feder-Dehn- und Kontraküonsgerat zu schaffen das ohne störende Schwingungen arbeitet und sowohl eine schnelle Prüfung als auch emc Prüfung von Federn mit kleiner Federkonstaiue ermöglicht. . ,

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ortsdiagramm eines Punktes auf einer Scheibe, die zugleich eine Drehung und einen Umlauf mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und in entgegengesetzten Richtungen ausführt,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer vollständig ausgewuchteten Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung für ein Federspanngerät,

F i g. 3 ein Vektordiagramm der in F i g. 2 dargestellten Punkte, wobei die Masse der sich bewegenden Teile jeweils in die Ebene X-Y projiziert ist,

Fig. 4a einen Längsschnitt durch ein Federspanngerät,

Fig. 4b einen Schnitt nach 4b-4b in Fig. 4a,

F i g. 5 eine Draufsicht einer schnellen Dauerprüfeinrichtung für kleine Schraubenfedern mit einer Vorrichtungzurschwingungsfreien Umwandlungeiner Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung und

F i g. 6 eine Seitenansicht der Prüfeinrichtung nach F i g. 5.

Zunächst wird die Theorie der schwingungsfreien, geradlinig hin- und hergehenden Bewegung, die bei dem beschriebenen Federspanngerät verwendet wird, erläutert. Die theoretische Analyse des grundlegenden Prinzips der Erzeugung einer geradlinig hin- und hergehenden Bewegung durch die Kombination von zwei gleichförmigen Kreisbewegungen liefert folgendes:

Die in F i g. 1 dargestellte Scheibe D mit einem Radius dreht sich um ihren Mittelpunkt O₁ mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω; die Scheibe D läuft zugleich um einen Punkt O im Abstand I vom Mittelpunkt O₁ mit gleicher Winkelgeschwindigkeit ω in entgegengesetzter Richtung um. Unter diesen Be-

dingungen führen alle Punkte der Scheibe D auf dem Radius / eine geradlinig hin- und hergehende Bewegung aus. Wenn daher eine Verbindungsslange O₁ O₂ sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit i>. um den Punkt O₁ dreht und sich zugleich ein Kurbelarm OOj mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung dreht, so daß er einen Umlauf der Verbindungsstange O₁ O₂ erzeugt, führt der Punkt O₂ auf der VerbindungSbtange O₁0, eine geradlinig hin- und hergehende Bewegung mit dem ι ο Hub 4/ längs der Achse X aus.

Im folgenden wird die theoretische Analyse des vollständigen Ausgleichs der beschriebenen geradlinig hin- und hergehenden Bewegung beschrieben. Bei dieser Analyse wird angenommen, daß der sich drehende Körper sich mit konstanter Winkelgeschwin-

digkeit dreht, daß die Reibung zwischen dei: Teilen

und die Wirkung des Spiels zwischen Wellen und

Lagern Null sind.
Es werden folgende Formelzeichen verwendet.

O = Umiaufmittelpunkt der Kurbelwelle. P = Drehmittelpunkt der Kurbelwelle. A = Mittelpunkt des Kurbelzapfens. B = Schwerpunkt der Drehausgleichsmasse. C, D = Schwerpunkt der Umiaufausgleichsmassen.

m = Ungleichgewichtsmasse der Kurbelwelle. mi, = Masse jeder Drehausg'eichsmasse. n₂, Hi₃ = Masse der Umlaufausgleichsmassen. M = Sich drehende Masse außer m und Mi₁. / = Abstand zwischen der Achse durch den Drehmittelpunkt P und der Achse durch den Umlaufmittelpunkt O.

25, /i,Ji₃ = Abstände zwischen der Achse durch der· Umlaufmittelpunkt O und den Schwerpunkten C und D der Umlaiilausgleichs-

massen.

a — Axialer Abstand zwischen den Schwerpunkten der Umlaufausgleichsmassen. b — Axialer Abstand zwischen den Schwerpunkten der sich drehenden Masse ui d der benachbarten Uralaufausgleichsmasse. c,d = Axiale Abstände zwischen den Schwerpunkten der Drehausgleichsmasser. und Ulihichtsmasse der Kurbel

punkten der Dg

der Ungleichgewichtsmasse der

welle.

R^p = Ortsvektor des Punktes P vom Mittelpunkt O.

Roa ~ Ortsvektor des Punktes A vorn Mittelpunkt O.

R~o^ = Ortsvektor des Punktes C vom Mittelpunkt O.

Ron = Ortsvektor des Punktes D vom Mittelpunkt O.

R_PA = Ortsvektor des Punktes A vom Mittelpunkt P.

Rpu = Ortsvektor des Punktes B vom Mittelpunkt P.

οι = Konstante Winkelgeschwindigkeit der Drehung und des Umlaufs, gleich l>.

Die Argumente der Ortsvektoren sind in F i g. 3

f —- Abstand zwischen dem Schwerpunkt der 35 dargestellt.

Dre'..^"1eichsmasse und der Achse durch Die Massenträgheitskräfte, die in den mnKtr.n .1.

den Drehmittelpunkt P. B, C, P und D wirken, sind die folgenden:

T_A = - InR₀₁ = Hi(R,,; -, Rp_A) = «i/V Je^T'⁶¹) + dl ⁺ ")} Jl= - 2mi,(R_OP + Rp₈) = 2m,,„² {/β'(τ"") - /e'G ⁺")

= -Ml₃R₀C- =

ⁿ2^On — "<2"2' l"") = -m₂h₂u>^ZV\2 ~

Im ausgewuchteten Zustand muß die resultierende Kraft Null sein, d. h., es muß erfüllt sein: K₁ + F₁, + Fp + F_c + F'_o = <„²(:nl + 2m,/ + Ml + Mi₃Zi₁ - »i₂Zi₂)e'(7 'ή + <»²(ml - 2/n,/)e''( i ^{+ e}) = O. (2)

Das Drehmoment M_P um den Drehmittelpunkt P beträgt:

(3)

Daraus folgt als Ausgleichsbedingung

mi/ + 2m,l + Ml + Mi₃Zi₁ = Mi₂Zi₂

und außerdem mi/ = 2wi,/J. M_n = Rp,,;.^,, + K_PBxt„ = i«r

Wcnn somit Gleichung 3 erfüllt ist, si.nd die Massen- 65
trägheitskräfte ausgeglichen bzw. ausgewuchtet. Daraus folgt mit Gleichung 3

Ferner müssen die Drehmomente der Masscnträtiheitskräfte ebenfalls ausgeglichen sein. M_P = O.

In ähnlicher Weise ergibt sich das Drehmoment M₀ um den Umlaufmittelpunkt O folgendermaßen:

Sf₀ = R₀PX[F₁ + F_e) = Im² sin 2β {-ml + 2mJ).

(6)

Wiederum ergibt sich mit Gleichung 3:

Somit werden — wie gezeigt — keine resultierenden Ungleichgewichtskräfte durch die Drehmomente der Massenträgheitskräfte erzeugt.

Der Drehimpuls M_P um den Punkt P kann umgewandelt werden in einen Drehimpuls M_P um den Punkt O: im vorliegenden Fall gilt M'_r — —M_P.

Das Gesamtmoment /V/ um den Punkt O ist somit

V/ = M₀ + \1_P = M₀ -

(7)

Mit den Gleichungen 5 und 6 folgt M = O. Demzufolge wird durch Ungleichgewichtskräfte kein Drehimpuls um den Punkt O erzeugt.

Wenn bei der obenbeschriebenen Anordnung die Massen längs der Z-Achse verteilt sind, muß zum Ausgleich des Drehimpulses der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung die folgende Ausgleichsbedingung erfüllt sein:

d = c

(m + 2/H₁ + M)Ib = m₃h_ta

(8)

Wenn somit Abmessungen und Massen so gewählt werden, daß sie die Gleichungen 3 und 8 erfüllen, ist die obenbeschriebene Vorrichtung theoretisch vollständig ausgeglichen.

Nachdem das grundlegende Prinzip der geradlinig hin- und hergehenden Bewegung des Federspanngerätes und des vollständigen Auswuchtens dieses Gerätes erläutert sind, wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel eines Federspanngerätes mit einer vollständig ausgeglichenen Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung erläutert.

Die F i g. 4a und Fig. 4b zeigen ein Federspanngerät, bei dem d>e erläuterte Theorie zum vollständigen Ausgleich bei der Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung angewendet wird. Eine Antriebswelle 4 ist fest verbunden mit einem Zahnrad 2' und einem exzentrischen Zahnrad 3', dessen Exzentrizität I beträgt. Das exzentrische Zahnrad 3' ist in Eingriff mit einem Zahnrad 5', das an einer Kurbelwelle 9' befestigt ist, die um die Exzentrizität I gegenüber der Achse durch den Mittelpunkt 0 einer sie tragenden Welle 12' in dieser exzentrisch gelagert ist. An der Welle 12' ist ein Zahnrad 6' befestigt. Das Zahnrad 2' ist in Eingriff mit einem Zahnrad 1', das seinerseits in Eingriff mit dem Zahnrad 6' ist. Die Zahnräder 5' und 3' und die Zahnräder 6' und 2' haben jeweils die gleiche Anzahl Zähne. Daher drehen sich die Zahnräder 5' und 6' in entgegengesetzter Richtung bei gleicher Winkelgeschwindigkeit to, und der Punkt A bei PA = 1 führt eine geradlinig hin- und hergehende Bewegung mit dem Hub 41 längs der Geraden AO aus. Die Kurbelwelle 9' hat Kurbelwangen 15', die mit einem Kurbelzapfen 7' fest verbunden sind, der einen ersten Federhalter 8' trägt, an dem ein Ende einer zu untersuchenden Schraubenfeder 10' eingehängt ist. Das andere Ende der Feder wird von einem zweiten Federhalter

15 gehalten, der an einer drehbaren Trommel 14 befestigt ist (Fi g. 5).

Die Kurbelwelle 9' wird von der Welle 12' mittels Nadellagern 11' drehbar gehalten; die Welle 12' wird

ίο mittels Kugellagern 13' von dem Gehäuse 8 drehbar gehalten (Fig. 5).

Die Kurbelwelle 9' ist an den Kurbelwangen 15 mit Drehausgleichsmassen IM₁ versehen, und die Welle 12' ist mit Umlaufausgleichsmassen m₂ und ni,

versehen, die so ausgewählt sind, daß die Gleichungen 3 und 8 erfüllt sind.

Bei diesem Federspanngerät kommt eine vollständig ausgeglichene Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende

Bewegung zur Anwendung, und die zu untersuchende Feder Führt eine geradlinig hin- und hergehende Bewegung aus.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine Prüfeinrichtung für Schrauben federn mit dem Federspanngerät in der

Ausführungsform nach den F i g. 4a und 4 b.

Ein Antriebsmotor 1 treibt mittels eines Keilriemens V iber ein Getriebe 2 eine Hauptwelle 3 an. an deren einem Ende ein Kegelrad 9 befestigt ist. Das Kegelrad 9 ist im Eingriff mit dem Kegelrad 5.

\o das eine Welle 6 antreibt, wenn eine Klauenkupplung 34 eingedrückt ist. Die Welle 6 ist über eine Kupplung 7 mit der Welle 4 des Federspanngerätes nach den Fig. 4 a und Fig. 4 b verbunden. Die Welle 6 wird von Kugellagern 10 in einer Buchse 11 drehbar gehalten, die an einem Getriebegehäuse 60 befestigt ist. Auf ihrem Außenumfang hält die Buchse 11 mit Hilfe von Präzisionskugellagern 12 einen Trommelträger 13, der um einen kleinen Winkel hin- und zurückgedreht werden kann. An einer Stirnfläche des Trommelträgers 13 ist eine drehbare Trommel 14 befestigt, die mit dem zweiten Federhalter 15 versehen ist, der das untere Ende der Feder 10' hält (F i g. 4a). Im folgenden wird das mechanische Aufzeichnungsgerät zur Aufzeichnung der Federdehnung bei Dauer-

test beschrieben.

Wenn ein auf der Welle 3 verschiebbares Zahnrad

16 in Eingriff mit einem Zahnrad 18 kommt, das an einer zur Welle 3 parallelen Welle 17 befestigt ist. dreht sich eine Schnecke 19 am anderen Ende der

Welle 17 und treibt ein Schneckenrad 20 an, das an einer Welle 21 befestigt ist, an deren einem Ende ein Zahnrad 22 befestigt ist Die Drehung des Zahnrades 22 wird über ein mit ihm im Eingriff befindliches Zahnrad 24, eine mit dem Zahnrad 24 fest

verbundene Welle 23, ein mit der Welle 23 fest verbundenes Zahnrad 25, Zwischenräder 26 und 27, ein Zahnrad 28 und eine Kupplung 29, die mit dem Zahnrad 28 verbunden ist, auf die Antriebswelle 30 für den Vorschub des Aufzeichnungspapiers über-

tragen. Die Welle 30 ist mit Vorschubrollen 31 versehen, die das Aufzeichnungspapier 30 in Pfeilrichtung transportieren. Wenn eine Gegenplatte 33 in Eingriff mil der Klauenkupplung 34, die aus dem Kegelrad 5 ausgerückt ist, kommt, wird die Drehzahl der

Welle 6 vermindert, und das Kegelrad 5 für den schnellen Antrieb dreht frei auf der Welle 6. Bei manueller Auslösung der Aufzeichnung wird der Eingriff zwischen den Zahnrädern 16 und 18 durch

Verschiebung des Zahnrades 16 mittels eines Handgriffes 35 an einem Ende der Welle 17 von Hand bewirkt.

Die durch die eingehängte Feder 10' verursachte Hin- und Herbewegung der Trommel 14 wird über den Trommelträger 13, ein an der anderen Stirnfläche des Trommelträgers 13 befestigtes Zahnrad 36. ein mit dern Zahnrad 36 kämmendes Zahnrad 37, eine mit dem Zahnrad 37 verbundene Welle 38 und eine Kupplung 39, die mit der Welle 38 verbunden ist, auf eine Eingangswelle 41 eines Verstärkers 40 übertragen.

Der Verstärker 40 weist einen Hilfsmotor 44 auf. der über einen Riemen 45 und Zahnräder 46, 47 und 48. zwei Verstärkerrollen 42 und 43 in zueinander entgegengesetzten Richtungen antreibt. Reibbänder 50 und 51 bremsen durch Reibung die Verstärkerrollen 42 und 43 und bewirken eine dem Winkel α, der von den Verstärkerrollen 42 und 43 und den Reibbändern 50 und 51 an den Berührungspunkten gebildet wird, entsprechende Verstärkung um den Faktor e'¹" der Drehung der Eingangswelle 41 an der Ausgangswelle 52; dabei ist e die Basis des natürlichen Logarithmus und μ der Reibungskoeffizient zwischen dem Reibband und der Verstärkerrolle. Die Ausgangswelle 52

s ist über eine Kupplung 53 mit einer Welle 54 verbunden, die ein Schraubenrad 55 aufweist, das mit einem Schraubenrad 56 im Eingriff ist.

Das Schraubenrad 56 ist mit einem Aufzeichnungsstift 58 über eine Welle 57 verbunden, wodurch eine

ίο Aufzeichnung der Hin- und Herbewegungen der Feder, die bei der Prüfung hervorgerufen werden, auf das Aufzeichnungspapier erfolgt.

Zu den Vorteilen der beschriebenen Dauerprüfeinrichtung für Schraubenfedern gehört, daß sie theoretisch vollkommen ausgewuchtet ist, so daß eine Feder ohne Störschwingungen und schnell geprüft werden kann. Da ferner der Hub geradlinig hin- und hergehend ist, kann auch eine sehr genaue Dauerprüfung von kleinen Schraubenfedern durchgeführt

und die Charakteristik der Dauerverformung automatisch aufgezeichnet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

2 149

2

Patentanspruch:

Dauerprüfeinrichtung für kleine Schraubenfedern mit einem die rotatrrische Antriebsbewegung in eine lineare, hin- und hergehende Bewegung umwandelnden Federspanngerät, das die Feder mittels eines ersten Federhalters an ihrem einen Ende hält sowie die Dehnung der Feder herbeiführt und ihre Kontraktion ermöglicht, und mit einem zweiten Federhalter, der das andere Ende der Feder hält, gekennzeichnet durch eine drehbar in einem Gehäuse (8) gelagerte Welle (12') mit einem ersten Zahnrad (6'). eine in der Welle (12') mit einer Exzentrizität vom Betrag Z drehbar gelagerte Kurbelwelle (9') mit Kurbelwangen (15') und einem zwischen diesen angeordneten Kurbelzapfen (7'), wobei der Kurbelzapfen (7') um den Betrag / exzentrisch zur Kurbelwe."enachse angeordnet ist und den ersten Federhalter (S') drehbar hält, ein zweites, mit der Kurbelwelle (9') fest verbundenes Zahnrad (5'), ein um den Betrag Z exzentrisch auf einer Antriebswelle (4) befestigtes drittes Zahnrad (3'), das die gleiche Zähnezahl wie das zweite Zahnrad (5) aufweist und mit diesem kämmt, ein viertes, auf der Antriebswelle (4) befestigtes Zahnrad (2'), das die gleiche Zähnezahl wie das erste Zahnrad (6') hat, ein fünftes Zahnrad (V), das mit dem ersten Zahnrad (6') und dem vierten Zahnrad (2') in Eingriff ist, zwei Drehausgleichsmassen, von denen jede an einer Kurbelwapoe (15') auf der dem Kurbelzapfen gegenüberliegenden Seite und im gleichen Abstand d vom Or. der Federanhängung befestigt ist, wobei jede Drehausgleichsmasse die Massewi_t im Abstand/ von der Mittellinie der Kurbelwelle (9') aufweist, zwei Umlaufausgleichsmassen, die an der Welle (12') aufeinander gegenüberliegenden Seiten im gleichen Abstand — entlang der Mittelachse der Welle (12') — vom ersten Zahnrad (6') befestigt sind, wobei die Umlaufausgleichsmassen die Masse m₂ bzw. Wi₃ im radialen Abstand Zi₂ bzw. Zi₁ von der Mittelachse und jeweils einen axialen Abstand α aufweisen und wobei schließlich Ausgleichsmassen und Abmessungen so festgelegt sind, daß sie die Gleichungen

ml + 2mJ + Ml + /M₃Zi₁ = Wi₂Zi₂

ml = 2m, f
(wi + 2Wi₁ +M)Ib- Wi₃Zt₁O

mit wi als Ungleichsgewichtsmasse der Welle (12') und M als sich drehender Masse außer Wv₁ und wi si wie b als axialem Abstand zwischen den Schwerpunkten der sich drehenden Masse und der benachbarten Umlaufausgleichsmasse erfüllen.

Die Erfindung betrifft eine Dauerprüfeinrichtung für kleine Schraubenfedern mit einem die rotatorisch;. Antriebsbewegung in eine lineare, hin- und hergehende Bewegung umwandelnden Federspanngerät, das die Feder mittels eines ersten Federhalters an ihrem einen Ende hält sowie die Dehnung der Feder herbeiführt und ihre Kontraktion ermöglicht, und mit einem leiten Federhalter, der das andere Ende der Feder

hält. Bekannte Schraubenfederprüieinnchtungen verwenden als Federspanngeräi einen Kurbelnieehanismus oder einen Mechanismus mn Kurvenscheibe und Roile zur Umwandlung der rotatonschen Antnebs-