EP0058131B1 - Schwingungserzeuger - Google Patents
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- Y10T137/86574—Supply and exhaust
- Y10T137/86638—Rotary valve
Definitions
- the present invention relates to a vibration generator with working pistons displaceably guided in displacement working chambers and with a pressurized fluid as the working medium according to the preamble of the independent claim.
- CH-A 524 771 describes a method and a device for adjusting a working piston in a cylinder.
- the working piston is vibrated by supplying and removing a pressure medium, for which purpose a control unit is present between the working cylinder and a storage device for the pressure medium.
- this control unit there is a control cylinder with a control piston provided with axial grooves.
- the control piston is both axially displaceable and rotatably driven in order to direct a controlled amount of the pressure medium in the desired direction.
- Such an arrangement requires three lines for the pressure medium between the accumulator and the working cylinder in a one-sided preloaded piston and four lines in a double-acting cylinder, which have to be sealed accordingly and, in addition to a loss of power, result in a delay in the effect on the working cylinder, so that the Vibration frequency can only be increased up to an order of magnitude of 100 Hz.
- the invention is intended to create a perfectly functioning vibration generator which has no expensive processing points and with which mechanical vibrations of up to several 1000 Hz can be carried out.
- a circular cylinder body 1 there are four cylinders 10, 20, 30, 40 arranged perpendicular to one another.
- Each cylinder has a shoulder 17, 27, 37, 47 and in the cylinder part with the larger diameter there is a piston 13, 23, 33, 43, each with a piston rod 14, 24, 34, 44, which is sealed by a screwed-in sealing cover 78 are guided to the outside with a sealing washer 80 and a tension spring 82.
- the piston 13, 23, 33, 43 divides the respective cylinder 10, 20, 30, 40 into an outer chamber 11, 21, 31, 41 and an inner chamber 12, 22, 32, 42.
- the four inner chambers are together connected and filled with a hydraulic fluid.
- Disks 50 and 60 with holes 51 and 61 lie on the outer surfaces.
- the two disks 50 and 60 are rigidly connected to one another by means of a shaft 70 through the crossing point of the cylinder axes.
- a housing 76 encloses the entire cylinder body 1 with the two disks 50 and 60, so that an upper pressure chamber 90 and a lower compensation chamber 92 are formed.
- the pressure chamber 90 is connected via a connection 74 to a high-pressure store for fluid under pressure and the compensation chamber 92 is connected to a connection 72 to a low-pressure store.
- the inner chambers 12, 22, 32, 42 are filled with liquid.
- the disks 50 and 60 accordingly have two bores 51a, 51b and 61 a, 61 b. If the disks 50, 60 are rotated together, these bores lie over openings in the outer chambers of the cylinders of opposing cylinders. According to FIG. 3, the bores 51a, 51b lie over the openings 15, 45 and the bores 61a, 61 over the openings 26, 36.
- Fluid under pressure thus flows according to the arrows A from the high pressure chamber 90 through the bores 51a, 51b and the openings 15, 45 into the outer chambers 11, 41 and the pistons 13, 43 are pressed into the position shown in FIG. 1. Because the bores 61a, 61b in the disk 60 and the openings 26, 36 are aligned with one another, the fluid can flow out of the outer chambers 21, 31 into the compensator drain chamber 92 so that the pistons 23, 33 can move under the pressure of the liquid in the inner chambers 12, 22, 32, 42 into the outer position, also shown in FIG. 1.
- FIG. 4 shows another exemplary embodiment in which the pair of cylinders 100 is designed with a common axis and a circular jacket cross section.
- the cylinder pair 100 is enclosed by a control cylinder 101, which is connected to a drive indicated by the arrow C.
- the pair of cylinders 100 has openings 102, 103. These openings 102, 103 are elongated in the direction of the surface lines and their longitudinal axes lie in a common plane through the cylinder axis and on opposite cylinder sides.
- the control cylinder 101 is provided with four holes 104, 105, 106, 107, the axes of which are likewise arranged in a common plane through the axis of the control cylinder 101. These holes are arranged in pairs offset from one another in such a way that they are alternately aligned with an outer part of the openings 102, 103 and with an inner part thereof.
- the control cylinder 101 is encompassed by a likewise cylindrical housing 110.
- the housing 110 has two annular webs 111, 112, so that three annular chambers 113, 114, 115 are formed between the control cylinder 101 and the housing 110.
- the two outer annular chambers 113, 115 are connected by lines 116, 117, 118 to a fluid source for fluid under pressure and therefore represent the high-pressure chamber of the example described earlier.
- the middle annular chamber 114 is connected via a drain 119 to the low-pressure side of the fluid source and therefore forms the compensation chamber according to the example described first.
- the holes 104, 105, 106, 107 are now distributed such that the outer chamber 124 of the one cylinder divided by a piston 120 passes through the opening 102 and the hole 104 with the high-pressure chamber 113 and the outer chamber 125 of the other a piston 122 divided cylinder are connected to the compensation chamber 114 via the opening 103 and the hole 107.
- the control cylinder 101 When the control cylinder 101 is rotated through 180 ° in the direction of arrow C, the high-pressure chamber 115 is connected to the outer chamber 125 via the hole 106 and the opening 103, and the compensation chamber 103 is connected to the outer chamber 124 via the hole 105 and the opening 102.
- the two pistons 120, 122 and the piston rods 121, 123 therefore perform an opposite movement, directed to the left in the drawing.
- a rotational movement of the control means namely the control piston 101, results in a translatory movement of the piston rods, the stroke also being determined here by the amount of fluid flowing in and out and the frequency by the speed.
- more holes can be provided in the disks 50, 60 according to FIGS. 1-3 or more holes in the control cylinder 101 in order to achieve a higher frequency at a lower speed.
- the pistons 120, 122 in the exemplary embodiment according to FIG. 4 are sealingly connected to the cylinder wall with a soft membrane 131, 132. The stroke of the pistons 120, 122 is therefore limited by the dimensions of these membranes.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungserzeuger mit in Verdrängerarbeitskammern verschieblich geführten Arbeitskolben und mit einem unter Druck stehenden Fluid als Arbeitsmedium gemäss dem Gattungsbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
- Solche Schwingungserzeuger sind in der Technik bekannt. Beispielsweise wurde in der CH-A 524 771 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verstellung eines Arbeitskolbens in einem Zylinder beschrieben. Der Arbeitskolben wird durch Zu- und Wegführen eines Druckmittels vibriert, wozu ein Steuergerät zwischen dem Arbeitszylinder und einem Speicher für das Druckmittel vorhanden ist. In diesem Steuergerät ist ein Steuerzylinder mit einem mit axialen Nuten versehenen Steuerkolben vorhanden. Der Steuerkolben ist sowohl axialverschieblich, als auch drehbar angetrieben, um jeweils eine gesteuerte Menge des Druckmittels in die gewünschte Richtung zu leiten. Eine solche Anordnung braucht bei einem einseitig vorgespannten Kolben drei und bei einem beidseitig wirkenden Zylinder vier Leitungen für das Druckmittel zwischen dem Speicher und dem Arbeitszylinder, die entsprechend abgedichtet sein müssen und neben einem Leistungsverlust eine zeitliche Verzögerung der Wirkung auf den Arbeitszylinder ergeben, so dass die Schwingfrequenz nur bis zu einer Grössenordnung von 100 Hz gesteigert werden kann.
- In der US-A-3 678 803 und auch in der DE-A-28 21 339 sind hydraulische Schwingungserzeuger beschrieben, bei denen die Druckflüssigkeit direkt aus der Quelle an das Zylindergehäuse hin und von da wieder zurück geführt ist. Im Zylindergehäuse ist ein rotierbarer Arbeitskolben angeordnet, der mit Einlass- und Auslasskanälen versehen ist und dadurch in von der Rotation abhängiger abwechselnder Weise die beidseits des Kolben befindlichen Arbeitskammern mit Druckfluid versorgen und/oder entleeren kann. Nachteilig an einer solchen Anordnung sind die Kanäle im Kolben, weil diese und dazu noch die zugeordneten Oeffnungen in der Zylinderwand mit äusserst geringen Toleranzen zu bearbeiten sind und daher einen solchen Schwingungserzeuger verteuern.
- Demgegenüber soll durch die Erfindung ein einwandfrei arbeitender Schwingungserzeuger geschaffen werden, der keine teuren Bearbeitungsstellen aufweist und mit dem mechanische Schwingungen bis zu mehreren 1 000 Hz ausführbar sind.
- Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen :
- Figur 1 eine Schnittansicht als Grundriss gemäss der Schnittlinie I-I in Fig. 2 einer ersten Ausführungsform,
- Figur 2 eine Schnittansicht eines Paares von Zylindern gemäss der Schnittlinie 11-11 in Fig. 1
- Figur 3 eine gedehnt gezeichnete schematische Darstellung der Anordnung gemäss Fig. 1 und 2, und
- Figur 4 eine Schnittansicht durch ein Zylinderpaar einer zweiten Ausführungsform.
- In einem kreisförmigen Zylinderkörper 1 sind vier senkrecht zueinander angeordnete Zylinder 10, 20, 30, 40 vorhanden. Jeder Zylinder weist eine Schulter 17, 27, 37, 47 auf und im Zylinderteil mit dem grösseren Durchmesser befindet sich ein Kolben 13, 23,33,43 mit je einer Kolbenstange 14, 24, 34, 44, die abgedichtet durch einen eingeschraubten Dichtungsdeckel 78 mit einer Dichtscheibe 80 und einer Spannfeder 82 nach aussen geführt sind. Der Kolben 13, 23, 33, 43 unterteilt den jeweiligen Zylinder 10, 20, 30, 40 in eine äussere Kammer 11, 21, 31, 41 und in eine innere Kammer 12, 22, 32, 42. Die vier inneren Kammern sind miteinander verbunden und mit einem hydraulischen Fluid gefüllt.
- Die Aussenflächen des Zylinderkörpers 1, die parallel zur Ebene liegen, die die vier Achsen der Zylinder enthält, sind flach ausgebildet und von den äusseren Kammern 11, 21, 31, 41 sind Oeffnungen 15, 25, 35, 45 nach oben und Oeffnungen 16, 26, 36, 46 nach unten durch die Aussenflächen gebohrt (Fig. 3). Auf den Aussenflächen liegen Scheiben 50 und 60 mit Löchern 51 und 61. Die beiden Scheiben 50 und 60 sind mittels einer Welle 70 durch den Kreuzungspunkt der Zylinderachsen starr miteinander verbunden. Ein Gehäuse 76 umschliesst den gesamten Zylinderkörper 1 mit den beiden Scheiben 50 und 60, so dass eine obere Druckkammer 90 und eine untere Ausgleichskammer 92 gebildet werden. Die Druckkammer 90 ist über einen Anschluss 74 mit einem Hochdruckspeicher für Fluid unter Druck und die Ausgleichskammer 92 ist mit einem Anschluss 72 mit einem Niederdruckspeicher verbunden. Die inneren Kammern 12, 22, 32, 42 sind mit Flüssigkeit gefüllt.
- Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird noch Fig. 3 zur Hilfe genommen. Die Scheiben 50 und 60 haben demgemäss zwei Bohrungen 51a, 51b und 61 a, 61 b. Werden die Scheiben 50, 60 zusammen rotiert, so liegen diese Bohrungen über Oeffnungen in den äussern Kammern der Zylinder von sich gegenüberliegenden Zylindern. Gemäss Fig. 3 liegen die Bohrungen 51a, 51b über den Oeffnungen 15, 45 und die Bohrungen 61a, 61 über den Oeffnungen 26, 36.
- Fluid unter Druck fliesst somit gemäss den Pfeilen A aus der Hochdruckkammer 90 durch die Bohrungen 51a, 51 b und die Oeffnungen 15, 45 in die äusseren Kammern 11, 41 und die Kolben 13, 43 werden in die in Fig. 1 dargestellte Lage gepresst. Dadurch, dass die Bohrungen 61a, 61 b in der Scheibe 60 und die Oeffnungen 26, 36 miteinander fluchten, kann das Fluid aus den äusseren Kammern 21, 31 in die Ausgleichskammer 92 abfliessen, so dass sich die Kolben 23, 33 unter dem Druck der Flüssigkeit in den inneren Kammern 12, 22, 32, 42 in die äussere, ebenfalls aus Fig. 1 ersichtliche Lage bewegen können.
- Werden die Scheiben 50, 60 weiter rotiert, so geschieht dasselbe bei den benachbarten Zylindern. Die Kolbenstangen 14, 44 und 24, 34 führen damit paarweise bezüglich des Zentrums der Anordnung gleichgerichtete Bewegungen aus, deren Amplitude von der Menge des zugeführten Fluids und deren Frequenz von der Drehzahl der Scheibe abhängen.
- Dies zeigt, dass nur mit einer Kraft zum Drehen der Scheiben und mit einer Kraft zur Erzeugung des Druckes im Fluid ein Schwingantrieb betrieben werden kann, und dass kein zusätzliches Steuergerät mit zusätzlichen drei bis vier Leitungen benötigt wird. Mit einem Versuchsaufbau konnten Schwingungen bis zu 10 mm Amplitude und Frequenzen bis zu 7 000 Hz erzeugt werden, wobei ein Druck im Fluid von 1-2 bar genügten.
- Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem das Zylinderpaar 100 mit gemeinsamer Achse und kreisförmigem Mantelquerschnitt ausgebildet ist. Das Zylinderpaar 100 ist von einem Steuerzylinder 101 umschlossen, der mit einem durch den Pfeil C angedeuteten Antrieb verbunden ist. Das Zylinderpaar 100 weist Oeffnungen 102, 103 auf. Diese Oeffnungen 102, 103 sind in Richtung der Mantellinien länglich ausgebildet und deren Längsachsen liegen in einer gemeinsamen Ebene durch die Zylinderachse und an entgegengesetzten Zylinderseiten.
- Der Steuerzylinder 101 ist mit vier Löchern 104, 105,106,107 versehen, deren Achsen ebenfalls in einer gemeinsamen Ebene durch die Achse des Steuerzylinders 101 angeordnet sind. Diese Löcher sind paarweise gegeneinander versetzt angeordnet, derart, dass sie abwechselnd mit einer äusseren Partie der Oeffnungen 102, 103 und mit einer inneren Partie derselben fluchten.
- Der Steuerzylinder 101 ist von einem ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Gehäuse 110 umfasst. Das Gehäuse 110 weist zwei ringförmige Stege 111, 112 auf, so dass zwischen dem Steuerzylinder 101 und dem Gehäuse 110 drei Ringkammern 113, 114, 115 ausgebildet sind. Die beiden aussenliegenden Ringkammern 113, 115 sind mit Leitungen 116, 117, 118 mit einer Fluidquelle für Fluid unter Druck verbunden und stellen daher die Hochdruckkammer des früher beschriebenen Beispiels dar. Die mittlere Ringkammer 114 ist über einen Abfluss 119 mit der Niederdruckseite der Fluidquelle verbunden und bildet daher die Ausgleichskammer gemäss dem zuerst beschriebenen Beispiel.
- Die Löcher 104, 105, 106, 107 sind nun derart verteilt angeordnet, dass die äussere Kammer 124 des einen, durch einen Kolben 120 unterteilten Zylinders über die Oeffnung 102 und das Loch 104 mit der Hochdruckkammer 113 und die äussere Kammer 125 des anderen, durch einen Kolben 122 unterteilten Zylinders über die Oeffnung 103 und das Loch 107 mit der Ausgleichskammer 114 verbunden sind.
- Indem selbstverständlich auch hier die beiden zu einer gemeinsamen Kammer 126 zusammengefassten inneren Kammern der Zylinder mit Flüssigkeit gefüllt sind, bewirkt diese Anordnung in der dargestellten Phase eine Bewegung der beiden Kolben 120, 122 und daher auch der beiden Kolbenstangen 121, 123 nach rechts in der Zeichnung.
- Bei einer Drehung des Steuerzylinders 101 um 180° in Richtung des Pfeiles C wird die Hochdruckkammer 115 über das Loch 106 und die Oeffnung 103 mit der äusseren Kammer 125 und die Ausgleichskammer 103 über das Loch 105 und die Oeffnung 102 mit der äusseren Kammer 124 verbunden. Die beiden Kolben 120, 122 und die Kolbenstangen 121, 123 führen daher eine gegenläufige, nach links in der Zeichnung gerichtete Bewegung aus. Somit ergibt auch in diesem Beispiel eine Rotationsbewegung des Steuermittels, nämlich des Steuerkolbens 101, eine translatorische Bewegung der Kolbenstangen, wobei auch hier der Hub durch die Menge des ein- und ausfliessenden Fluids und die Frequenz durch die Drehzahl bestimmt sind.
- Selbstverständlich können in beiden Ausführungsbeispielen mehr Löcher in den Scheiben 50, 60 gemäss Fig. 1-3 oder mehr Löcher im Steuerzylinder 101 vorgesehen sein, um bei niedrigerer Drehzahl eine höhere Frequenz zu erzielen. Die Kolben 120, 122 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind mit einer weichen Membran 131, 132 dichtend mit der Zylinderwand verbunden. Der Hub der Kolben 120, 122 ist daher durch die Abmessungen dieser Membranen begrenzt.
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