Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
automatischen Wuchten rotierender Systeme nach dem Oberbegriff
des unabhängigen Anspruchs.
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Vorrichtungen dieser Art sind bereits in einer Reihe von
technischen Anwendungen realisiert. Rotierende Systeme werden im
Allgemeinen gewuchtet, um Schwingungen, die durch Unwuchten am
System entstehen, zu eliminieren beziehungsweise zu reduzieren.
Diese ungewollten Schwingungen können unter Anderem zu störenden
Geräuschen oder auch - aufgrund der stärkeren Beanspruchung der
Lager - zu einer Verringerung der Lebensdauer des jeweiligen
rotierenden Systems führen.
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Bei dem Prinzip des automatischen Wuchtens ordnen sich
Ausgleichskörper, die um die Drehachse des rotierenden Systems
beweglich angeordnet sind, selbständig derart an, dass die
Trägheitskräfte aufgrund der ursprünglichen Unwucht reduziert
werden und die ungewollten Schwingungen des Systems dadurch
gedämpft beziehungsweise mehr oder weniger vollständig beseitigt
werden.
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Während die Beweglichkeit der Ausgleichsmassen einerseits dazu
führt, dass das zu wuchtende System kontinuierlich und damit
auch bei leichten Veränderungen des Systems - aufgrund von
beispielsweise Abnutzung oder Verschmutzung - immer optimal
gewuchtet ist, kommt es andererseits durch die Wechselwirkung
der beweglichen Ausgleichskörper untereinander beziehungsweise
durch den Kontakt der Ausgleichskörper mit den Begrenzungen der
sie führenden Laufbahnen zu einer Geräuschentwicklung, die als
Nachteil dieser Technik empfunden wird und dadurch die
Einsatzmöglichkeiten dieser Art des Wuchtens begrenzt.
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Aus der DE 1 98 24 736 A1 ist eine Anordnung zum automatischen
Auswuchten eines Rotors eines Elektromotors bekannt, die einen
besonders geräuscharmen Lauf des Elektromotors dadurch
gewährleistet, dass die ringförmige, an dem Rotor befestigte
Kammer, in der die frei beweglichen Auswuchtelemente umlaufen
können, zumindest teilweise mit einer dämpfenden Flüssigkeit,
wie beispielsweise Öl gefüllt ist.
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Nachteilig bei dem in der DE 1 98 24 736 A1 vorgestellten
Verfahren zur Reduzierung der mit dem automatischen Wuchten
verbundenen Geräuschentwicklung ist die hohe Anforderung an die
Dichtigkeit der ringförmigen Umlaufkammer, die sich nicht
zuletzt aufgrund von hohen Druckunterschieden beispielsweise
beim Lufttransport eines solchen Bauteils ergeben.
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Geeignete Flüssigkeiten, meist zähe Öle, wie beispielsweise
Silikon-Öl sind zudem nur in einem eingeschränkten
Temperaturbereich einsetzbar.
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Desweiteren können Diffusionsprozesse im Werkstoff der
Laufbahnen und chemische Prozesse in der Kontaktfläche mit den
Ausgleichskörpern die Eigenschaften der Laufbahnen und/oder der
benutzten Flüssigkeit stark verändern.
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In der US 5,727,862 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
dynamischen Wuchten offenbart, die es gestatten, die
Geräuschentwicklung auf mechanischem Wege zu reduzieren. Die
frei beweglichen Ausgleichskörper der Vorrichtung der
US 5,727,862 können durch eine Arretierung so lange in einer
bestimmten Position gehalten werden, bis das rotierende System,
das es auszuwuchten gilt, eine erforderliche Mindestumlaufzahl
erreicht hat. Dadurch wird der Ausgleichskörper beim Hochfahren
der Drehzahl des rotierenden Systems mit der gleichen
Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse des Systems umlaufen wie
die Laufbahn selbst. Aufgrund der reduzierten Relativbewegung
kommt es zu einer geringeren Geräuschentwicklung. Erst bei
Erreichen der gewünschten Umlaufzahl werden die Ausgleichskörper
vollständig freigegeben, so dass sie eine zur Wuchtung des
Gesamtsystems optimale Position auf dem Umfang der einzelnen
Laufbahnen der Vorrichtung einnehmen können.
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Die mechanische Sicherung der einzelnen beteiligten
Ausgleichskörper nach der Lehre der US 5,727,862 ist eine
aufwendige Technik, die die Komplexität des Wuchtsystems unnötig
erhöht und damit die Anfälligkeit und Kosten der Vorrichtung
vergrößert.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des
unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, eine
Geräuschdämpfung des Systems mit rein passiven Maßnahmen zu
realisieren. Damit kann die Geräuschentwicklung der
automatischen Auswuchteinheit vermindert werden, ohne
Einbußen bei der Funktionsfähigkeit und der Haltbarkeit des
Systems in Kauf zu nehmen.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
Ausgleichskörper benutzt, die aus mehr als einem Werkstoff
bestehen, lassen sich die Vorteile dieser unterschiedlichen
Materialien in vorteilhafter Weise einbringen. So ist es
möglich, einen Ausgleichskörper zu verwenden, der bei
geringer Größe eine möglichst große Masse besitzt. Dies
ermöglicht die Verwendung kleiner Bahndurchmesser für die
erfindungsgemäße Vorrichtung, so dass das Einbauvolumen der
Wuchteinheit nicht vergrößert werden muß.
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Durch einen zweiten Werkstoff mit geringerer Dichte lässt
sich erreichen, dass die Ausgleichskörper eine hohe
Eigendämpfung bekommen. Stellen der Ausgleichskörper, an
denen eine Wechselwirkung untereinander oder mit der
führenden Laufbahn auftreten können, lassen sich so
elastisch gestalten, dass es bei der Wechselwirkung zu einer
starken akustischen Dämpfung kommt.
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Die bisher verwendeten Metallkörper erfüllen zwar die
Festigkeitsanforderungen und weisen zudem eine hohe Dichte auf,
besitzen aber nur eine unzureichende Geräuschdämpfung. Durch den
erfindungsgemäßen Mehr-Komponenten-Aufbau der Ausgleichskörper
lassen sich in vorteilhafter Weise die Material-Eigenschaften
der unterschiedlichen Werkstoffe für eine gute akustische
Dämpfung des automatischen Wuchtsystems ausnutzen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch
1 angegebenen Vorrichtung möglich.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergibt sich, wenn die Ausgleichskörper auf
Laufbahnen in einem einzelnen geschlossenen Umlaufkanal um die
Drehachse des rotierenden Systems umlaufen. In diesem Fall ist
eine sehr kompakte und damit Platz sparende Vorrichtung möglich.
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Es mag jedoch für spezielle Anwendungen auch von Vorteil sein,
wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung über mehrere Umlaufkanäle
verfügt, in die jeweils einzelne oder auch mehrere Umlaufbahnen
für die Ausgleichskörper eingebracht sind.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung Ausgleichskörper
besitzt, die einen Kern hoher Dichte und eine Ummantelung
geringerer Dichte aufweisen, ist des trotz der hohen Masse der
Ausgleichskörper möglich, eine hohe Eigendämpfung der
Ausgleichskörper zu erreichen. Diese große Eigendämpfung führt
dazu, dass die Geräusche bei der Bewegung der Ausgleichskörper
in der Laufbahn und beim Aneinanderstoßen der Massen
untereinander gesenkt werden.
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Die elastische Ummantelung eines Kerns hoher Dichte mit einem
Kunststoff oder Kautschuk gewährleistet eine gute
Schwingungsdämpfung der Massen und damit auch die gewünschte
akustische Dämpfung des ganzen Systems, sowohl bei Stößen der
Ausgleichskörper untereinander, als auch für die Roll- und
Rutschgeräusche der Ausgleichskörper in den Laufbahnen.
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So lässt sich durch eine Mantelschicht aus beispielsweise
Silikonharz oder Teflon in vorteilhafter Weise auch eine
Gleitbeschichtung für die Ausgleichskörper erzeugen, die für
eine möglichst geringe Reibung der Massen untereinander
beziehungsweise gegenüber den Laufbahnen sorgt, so dass die
Ausgleichskörper möglichst schnell und präzise ihre optimale
Position einnehmen können.
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Beschichtungen aus Polyamid und Epoxyd Pulverlacke bieten sich
für diese Aufgabe ebenfalls in vorteilhafter Weise an, da diese
Werkstoffe über eine Pulverbeschichtung relativ einfach in
gewünschter Dicke aufgetragen werden können.
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Es ist auf diese Weise möglich, Ausgleichskörper mit Toleranzen
im Umfang von weniger als 1/100 mm zu erzeugen, die trotzdem
eine homogene Beschichtungen in Dichte und Zusammensetzung
aufweisen.
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Alternativerweise lassen sich auch Kunststoff- oder
Kautschukkörper als Ausgleichskörper verwenden, in die ein Kern
hoher Dichte derart eingebracht ist, dass die mittlere Dichte
des gesamten Ausgleichskörpers der Dichte von Werkstoffen auf
Eisenbasis entspricht. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls die
Vorteile der Werkstoffe geringer Dichte mit denen der
Ausgleichskörper mit großem Gewicht kombinieren.
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In vorteilhafter Weise können Ausgleichskörper in Kugelform
verwendet werden. Diese zeichnen sich durch gute
Laufeigenschaften und einen geringen Reibungswiderstand aus.
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Die Kugeln können durch Extrusion des Gemisches der Werkstoffe
und Rollen im plastischen Zustand urgeformt werden und dann nach
dem Abkühlen durch Rühren mit Schleifmitteln ähnlich der
Herstellung von Kugellagerkugeln auf die notwendigen Toleranzen
geschliffen werden. Die Kugeln sollten Toleranzen von kleiner
als 10 µm bezüglich Durchmesser und Rundheit aufweisen.
Zeichnung
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum dynamischen Wuchten rotierender Systeme
dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert werden.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine im Schnitt dargestellte, die Welle eines
rotierenden Systems konzentrisch umgebenden Vorrichtung zum
Auswuchten rotierender Systeme,
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Fig. 2 einen Schnitt durch einen kugelförmigen Ausgleichskörper
der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1
und
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Fig. 3 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines kugelförmigen Ausgleichskörpers für die erfindungsgemäße
Vorrichtung.
Beschreibung der Erfindung
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 10 zum Wuchten rotierender Systeme. Das rotierende
System 12, das in diesem Ausführungsbeispiel nur als eine
schematische Anordnung 14 dargestellt ist, sitzt auf einer Welle
16, die von dem rotierenden System 12 angetrieben wird. Die
Welle 16 rotiert um eine Drehachse 18. In anderen
Ausführungsformen der Erfindung ist es selbstverständlich auch
möglich, dass das rotierende System 12 durch die Welle 16
angetrieben wird.
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Als mögliche Beispiele und nicht als Begrenzung für die
Verwendbarkeit der erfinderischen Vorrichtung seien an dieser
Stelle Elektromotoren und alle durch Elektromotoren
angetriebenen, rotierenden Aggregate genannt. Sowohl der
Elektromotor selbst, als auch die durch den Motor angetriebenen
Aggregate lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäße Vorrichtung
automatisch und damit kontinuierlich wuchten.
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Das rotierende System 12, das in dem Ausführungsbeispiel nur
schematisch angedeutet bleibt, mag also beispielsweise ein
Lüfter oder Ventilator oder auch ein Motorkühlungsgebläse nebst
antreibendem Elektromotor sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum automatischen Auswuchten
rotierender Systeme 12 weist in dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 eine fest auf die Welle 16 aufgebrachte
Ausgleichskonstruktion 21 auf, in der ein einzelner,
geschlossener und konzentrisch um die Drehachse 18 verlaufender
Umlaufkanal 20 ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
10 kann aber ebenso über eine Mehrzahl von konzentrisch um die
Welle 16 angeordneten Umlaufkanälen verfügen. Zur einfacheren
Beschreibung des Systems wird hier lediglich - ohne Beschränkung
der Allgemeinheit - auf ein System mit einem einzelnen
Umlaufkanal 20 eingegangen.
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In dem Umlaufkanal 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10
befinden sich frei bewegliche Ausgleichskörper 22, die in dem in
Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel aus Kugeln 24
zweier verschiedener Durchmesser bestehen. Die Kugeln 26, 28, 30
weisen in Fig. 1 einen gegenüber den Kugeln 32 reduzierten
Radius auf.
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Der Umlaufkanal 20 hat im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine
rechteckige Querschnittskontur 33, dessen Dimensionen derart auf
die Durchmesser der Kugeln 24 abgestimmt sind, dass alle Kugeln
24 die Drehachse 18 des rotierenden Systems 12 auf Umlaufbahnen
36 an der Innenwand 38 des Kanals 20 mit dem gleichen Radius 34
umlaufen können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 mit der
Ausgleichskonstruktion 21 nach dem Ausführungsbeispiel der Fig.
1 gestattet es somit, Kugeln unterschiedlicher Masse auf
verschiedenen Umlaufbahnen innerhalb eines einzelnen
Umlaufkanals 20 um die Rotationsachse 18 des Systems 12 umlaufen
zu lassen.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sitzt die
Vorrichtung 10 mit ihrer Ausgleichskonstruktion 21 separat vom
eigentlichen rotierenden System 12 auf der Welle 16. In anderen
Ausführungsbeispielen kann die Ausgleichskonstruktion aber auch
in das rotierende System 12 selbst integriert sein.
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Eine Anpassung der zur optimalen Wuchtung benötigten
zusätzlichen Trägheitsmomente kann im Ausführungsbeispiel der
Fig. 1 sowohl durch die Festlegung der Größe des äusseren
Radius 34 des Umlaufkanals 20 als auch durch die Variation der
Eigenschaften (Durchmesser, Masse, Zusammensetzung, usw.) der
einzelnen Kugeln 24 vorgenommen werden.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
der Ausgleichskörper 22. Dargestellt ist eine Kugel 24, die aus
zwei unterschiedlichen Werkstoffen besteht. Die Kugel an sich
besteht im Allgemeinen aus Kunststoff 40 oder Kautschuk 41, in
den ein Kern hoher Dichte 42 eingebettet ist. Der Kern 42 des in
Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels eines
Ausgleichskörpers 22 für die erfindungsgemäßen Vorrichtung 10
besteht aus Wolframpulver, welches mit einer Dichte von
19,26 g/cm3 eine entsprechend hohe Masse für den gesamten
Ausgleichskörper 22 ermöglicht. Die eigentliche Kugel besteht in
diesem Ausführungsbeispiel aus Polyamid 6 (chemisch:
Polycaprolactam), welches eine Dichte von 1,12 g/cm3 aufweist und
eine geschlossene Ummantelung 43 für den Kern 42 der
Ausgleichskörper 22 bildet. Bei einem Füllungsgrad von 40
Volumenprozent der PA6 Kugel mit dem Wolframpulver ergibt sich
beispielsweise eine Gesamtdichte des Ausgleichskörpers von mehr
als 8,3 g/cm3. Diese Dichte ist vergleichbar der Dichte von
Werkstoffen auf Eisenbasis, wie sie in bekannten Systemen des
Standes der Technik genutzt werden. Vorteilhafterweise besitzt
Polyamid (PA6) eine sehr hohe Eigendämpfung, was besonders für
die erwünschte Geräuschdämpfung von entscheidenden Bedeutung
ist.
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Darüber hinaus hilft der niedrige Reibwert von PA (Polyamid)
dabei, dass die Kugeln beim Anlaufen des rotierenden Systems
schnell und präzise ihre richtige Position erreichen, so dass
durch die erfindungsgemäßen Ausgleichskörper frühzeitig ein
optimales Wuchtergebnis erreicht werden kann.
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Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform für die
Ausgleichskörper 22 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Die
Ausgleichskörper 22 dieser Ausführungsform, die in der Figur
wiederum in Form einer einzelnen Kugeln 24 dargestellt
repräsentiert sind, bestehen im wesentlichen aus einem Material
hoher Dichte 44, wie beispielsweise einem Metall.
Ausgleichskörper hoher Dichte haben zum Einen den Vorteil, dass
die Körper an sich nicht sehr groß sein müssen, um eine
entsprechende Masse zu realisieren, so dass damit auch der
Querschnitt des Umlaufkanals 20 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 10 bei Verwendung von Massen dieser Art nicht sehr
groß ausfallen muss. Zum Anderen ermöglicht die hohe Dichte der
Ausgleichskörper 22 aber auch einen kleineren Radius 34 für die
Umlaufbahnen 36 der Ausgleichskörper 22 in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ohne, dass das durch die Ausgleichskörper 22
erzeugte zusätzliche Trägheitsmoment zu klein wird.
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Aufgrund der schlechten Eigendämpfung von Werkstoffen großer
Dichte wie beispielsweise einem Metall lässt sich mit diesen
Werkstoffen nur eine unbefriedigende akustische Dämpfung der
Vorrichtung erzielen. Weniger dichte, aufgrund ihrer
Eigendämpfung in akustischer Hinsicht interessante Werkstoffe
führen allein aber zu einem wesentlich erhöhten Platzbedarf der
Auswuchteinheit, wie zuvor bereits ausgeführt wurde.
Der Körper hoher Dichte 44 ist in diesem Ausführungsbeispiel
daher, wie in Fig. 3 dargestellt, mit einer Beschichtung 46 aus
einem Material geringerer Dichte 48 versehen, so dass sich
ebenfalls wieder eine Ummantelung 43 mit den gewünschten
positiven akustischen Eigenschaften für den Ausgleichskörper 22
ergibt.
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Durch die entsprechende Beschichtung 46 beziehungsweise
Ummantelung 43 der Ausgleichskörper 22 mit einem Material
geringerer Dichte 48 lässt sich eine akustische Dämpfung sowohl
der Stöße der Kugeln untereinander als auch der Roll-
beziehungsweise Rutschgeräusche der Kugeln 24 in den Laufbahnen
36 erreichen. Ferner lässt sich so erreichen, dass die Kugeln 24
eine möglichst geringe Reibung aneinander beziehungsweise zur
Laufbahn besitzen. Adhäsionseffekte wie beispielsweise ein
"Anbacken" bei hohen Kräften und/oder hohen Temperaturen können
durch eine solche Beschichtung 46 der Ausgleichskörper 22 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 minimiert werden.
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Die dämpfenden Werkstoffe können über eine Pulverbeschichtung
relativ einfach in ausreichender Dicke aufgetragen werden und
erfüllen trotzdem die notwendigen Bedingungen an die
Gleichmäßigkeit der Beschichtung, an die mechanische
Belastbarkeit der Ausgleichskörper sowie an die Temperatur- und
Verschleißfestigkeit des Systems.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist nicht auf die Verwendung
von Kugeln 24 als Ausgleichskörper 22 beschränkt. Vielmehr
lassen sich Massen beliebiger Form bei Verwendung von
Werkstoffen unterschiedlicher Dichte in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 10 einsetzen.
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Auch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 nicht auf die
Verwendung von Ausgleichskörpern 22 mit nur zwei Werkstoffen
unterschiedlicher Dichte begrenzt. Eine Optimierung der
gewünschten Dämpfungseigenschaften ist selbstverständlich auch
durch die Kombination mehrerer Werkstoffe unterschiedlicher
Eigenschaften möglich.