DE4301368A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Schwingungserregung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schwingungserregung eines Vorrichtungsgestells in einer vorgegebenen Richtung und insbesondere eine solche Vorrichtung, bei welcher das die Fliehkraft F_R bestimmende resultierende Fliehmoment M_R verstellbar ist (F_R = M_R×w², mit w als Winkelgeschwindigkeit).

Derartige Vorrichtungen finden ihren Einsatz z. B. als Rüttelvibratoren in Formereimaschinen oder als Rammvibratoren.

Zur Erzeugung einer gerichteten Schwingung benötigt man zwei Unwuchtkörper mit je einem Fliehmoment M, welche mit geeigneten Mitteln zu einem winkelsynchronen Umlauf mit gegensinniger Laufrichtung ge­ zwungen werden müssen. Wird eine Verstellbarkeit der Fliehmomente M_R verlangt, ist jeder der Unwuchtkörper durch ein Paar von zwei Teil-Un­ wuchtkörpern zu ersetzen (Teil-Unwuchtkörper erster Art und zweiter Art).

Jeder Teil-Unwuchtkörper verfügt über ein Teil-Fliehmoment mit dem Absolutbetrag |M/2| = mu× |e|, wobei mu die (punktförmig konzentrierte) Unwuchtmasse darstellt und |e| den Abstand des Schwerpunktes der Un­ wuchtmasse von der Drehachse. Da e als Vektor aufgefaßt werden kann, ist auch das Fliehmoment M/2 als Vektor anzusehen, wie auch die bei Drehung eines Teil-Unwuchtkörpers mit der Winkelgeschwindigkeit w auftretende Fliehkraft F = mu×e×w².

Die Verstellbarkeit des Fliehmomentes M_R kommt dadurch zum Ausdruck, daß die Teil-Fliehmomente jedes Paares unterschiedliche Richtungen auf­ weisen können.

Um die vektorielle Summe der Teil-Fliehmomente eines jeden Paares zwi­ schen dem Wert Null und dem Maximalwert M zu verändern, hat der dazu gehörige Stellantrieb einer entsprechenden Schwingungs-Vorrichtung zwi­ schen den Teil-Fliehmomenten einen Relativ-Stellwinkel β=Null und β=180° einzustellen.

Die vektorielle Summe der Teil-Fliehmomente beider Paare ergibt das resultierende (Gesamt-)Fliehmoment M_R mit dem Maximalwert M_R,max.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung von gerichteten Schwingungen mit verstellbarem Fliehmoment M_R erfordert also mindestens 4 rotierbare Teil- Unwuchtkörper, weshalb die vorliegende Erfindung auch an Beispielen mit jeweils 4 Teil-Unwuchtkörpern erläutert wird. Selbstverständlich erstreckt sich die Erfindung auch auf solche Schwingungserreger-Vorrichtungen, bei welchen sich die mindestens zwei notwendigen Paare bzw. die mindestens pro Paar notwendigen zwei Teil-Fliehmomente auf eine größere Anzahl von Paaren bzw. rotierbaren Teil-Unwuchtkörpern verteilt.

Der der vorliegenden Erfindung am nächsten liegende bekannte Stand der Technik ist in der Druckschrift PCT/EP 90/02 239 ausgewiesen. Hier wird eine Vorrichtung zur Schwingungserregung beschrieben, bei der die we­ nigstens notwendigen 4 Teil-Unwuchtkörper auch durch mehrere parallel angesteuerte Stellmotoren verstellt werden können. Ein vorbestimmtes, ma­ ximal einstellbares resultierendes Fliehmoment M_R,max ergibt sich bei Ein­ stellung eines Relativ-Stellwinkels β=180°.

Eine einfache, robuste und preiswerte Betriebsart ergibt sich dabei dann, wenn zwecks Einstellung eines vorbestimmten resultierenden Fliehmomentes M_R den Stellmotoren mittels der Stelleinrichtung ein solches Stell-Drehmo­ ment eingeprägt wird, welches im Gleichgewicht mit dem bei Einstellung des Fliehmomentes M_R sich ergebenden Reaktions-Drehmomentes MR steht.

Bei diesem Steuerungsvorgang genügt es also, wenn man, im Falle von hydraulischen Stellmotoren, diesen einen ganz bestimmten, das Stell-Dreh­ moment bestimmenden Druck einprägt. Bei dieser Art der Steuerung des Relativ-Stellwinkels β können dann auch mehrere Stellmotoren durch den gleichen Druck beaufschlagt werden.

Als nachteilig hat sich bei diesem Steuerungsverfahren herausgestellt, daß im Bereich von Werten oberhalb β=90° die Einhaltung von vorgegebenen Werten für den Relativ-Stellwinkel β ohne Hinzunahme von zusätzlichen steuerungstechnischen Hilfsmitteln nicht möglich ist. Erzwingt man die Funktionserfüllung mit zusätzlichem steuerungstechnischen Aufwand dahin­ gehend, daß auch Relativ-Stellwinkel β größer als 90° beherrschbar sind, so ergeben sich für den Bereich β=90° bis β=180° zusätzliche Schwierig­ keiten als Folge der dann auftretenden Drehmoment-Schwankungen aus dem Steuerungsprozeß und als Folge von Wechsel-Drehmomenten, welche später noch zu beschreiben sind.

Durch die Patentschrift DE 41 16 647 C1 ist eine Vorrichtung zur Schwin­ gungserregung bekannt geworden, bei welcher jedem der 4 Teil-Unwucht­ körper ein eigener elektrischer Stellmotor zugeordnet ist.

Die mit Winkel-Meßsystemen ausgerüsteten Stellmotoren sind drehsteif mit den die 4 Teil-Unwuchtkörper tragenden Unwuchtwellen verbunden, und ein allen 4 Stellmotoren übergeordnetes Lageregelsystem regelt die Winkel- Lage aller Motoren derart, daß die jeweils ein Paar bildenden Teil-Un­ wuchtkörper in symmetrischer Weise verstellt, bzw., in symmetrischer Win­ kel-Lage gehalten werden.

Ein Relativ-Stellwinkel β kann problemlos auf jeden Wert zwischen β=0° und β=180° eingestellt werden. Ein vorbestimmtes, maximal einstellbares re­ sultierendes Fliehmoment M_R,max ergibt sich bei Einstellung eines Relativ- Stellwinkels β=180°.

Bei dieser Verstell-Strategie gilt die Winkel-Lage eines der 4 Motoren als unabhängige Variable (Leitgröße), während die Winkel-Lagen der 3 anderen Motoren als abhängige bzw. veränderliche Variablen (Folgegrößen) angese­ hen werden.

Damit die 3 abhängigen Winkel-Lagen unter dem Einfluß von Störgrößen, wozu auch die Reaktions-Drehmomente MR gehören, stets auf dem vorge­ schriebenen Sollwert verharren, muß jeder Stellmotor permanent von einem eigenen Regler beaufschlagt sein.

Da durch die mitschwingende gemeinsame dynamische Masse mg eine ener­ giemäßige Koppelung aller Teil-Unwuchtkörper untereinander gegeben ist (Transformatorwirkung), derart, daß mit einer Verstellung der Winkel-Lage an einem Teil-Unwuchtkörper sich die drei anderen Teil-Unwuchtkörper ebenfalls verstellen möchten, sind alle Regler ständig mit dem Ausregeln von Winkelabweichungen in beiden Richtungen beschäftigt.

Die somit sich ergebenden Anforderungen an die Dynamik der Regler wer­ den noch verschärft durch den Umstand, daß die Definition der Winkel- Lage einer der Unwuchtwellen als Leitgröße, und die regelungstechnische Nachführung der Folgegrößen der 3 anderen Winkel-Lagen zu unsymmetri­ schen Belastungen führen. Als Ergebnis der notwendigen hochdynamischen Regelung ergeben sich laufende Veränderungen von Drehgeschwindigkeiten und Drehmomenten an den Motoren.

Die negativen Auswirkungen von daraus sich ergebenden Drehmoment- Sprüngen auf die Antriebsorgane sind dem Fachmann bekannt. Die Bean­ spruchung der Antriebsorgane ist besonders hoch, wenn die Motoren sta­ tionär (also nicht mitschwingend) angeordnet sein sollen und dennoch über geeignete Antriebsorgane eine drehsteife Drehmomentübertragung zwischen Stellmotor und Unwuchtwelle erfolgen muß.

Die durch die DE-PS 41 16 647 C1 gekennzeichnete Gattung von Schwin­ gungserregungs-Vorrichtungen mit verstellbarem resultierenden Fliehmo­ ment M_R und mit einem jedem Teil-Unwuchtkörper zugeordneten eigenen Stellmotor weist die beiden nachfolgend benannten Nachteile auf:

• - Die Stelleinrichtungen für die Regelung bzw. Steuerung des Relativ- Stellwinkels β sehr aufwendig, bzw., auch sehr teuer.
• - Es wirken offensichtlich auf die beteiligten Antriebsorgane (z. B. Zahnräder, Zahnriemen, Kardanwellen) hohe dynamische Belastungen ein, die zum schnellen Verschleiß bzw. zur raschen Unbrauchbarkeit der An­ triebsorgane führen und gleichzeitig verantwortlich sind für hohe Ge­ räusch-Emissionen.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die durch die zuvor geschil­ derten Beispiele gekennzeichnete Gattung von Schwingungserregungs-Vor­ richtungen zu verbessern. Die Verbesserung soll einerseits dazu beitragen, die Kosten und den gerätemäßigen Aufwand zur steuerungsmäßigen Beein­ flussung des Relativ-Stellwinkels β gering zu halten und andererseits auch zur Folge haben, daß die vorgenannten Verschleiß- und Geräusch-Pro­ bleme, deren Ursachen in der Existenz von Wechselmomenten zu suchen sind, zu reduzieren.

Bevor auf die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe eingegangen wird, soll zunächst versucht werden, auf die theoretischen Ursachen der be­ nannten Schwierigkeiten einzugehen.

In der PCT-OS PCT/EP 90/02 239 wird anhand der Fig. 4 für eine Vorrich­ tung zur Schwingungserregung mit 4 Teil-Unwucht-Körpern erläutert, daß zwischen den Teil-Unwuchtkörpern erster und zweiter Art durch Massen­ kräfte verursachte Reaktions-Drehmomente M_RI und M_RII wirken. (Man be­ achte jedoch, daß der dort gekennzeichnete Winkel β mit dem in der Be­ schreibung der vorliegenden Erfindung benutzten Winkel α identisch ist).

Diese bekannten theoretischen Betrachtungen sollen nachfolgend anhand der Fig. 5 und 6 erweitert werden.

Die Reaktions-Drehmomente MR treten als Wechsel-Momente mit sinoidischem Verlauf über dem Drehwinkel mit einer doppelt so hohen Frequenz wie die Drehfrequenz auf, also mit zwei Spitzenwerten pro Umdrehung (Siehe Fig. 5). Die absolute Größe der Reaktions-Drehmomente MR ist abhängig von der dynamischen Masse mg, von der Winkelgeschwindigkeit w, von dem Flieh­ moment M_R und vom Relativ-Stellwinkel β.

Fig. 5 zeigt den Verlauf des Reaktions-Drehmomentes MR als Funktion des Winkels β für die Winkelwerte β = 30°, 90° und 180°. (Die Bedeutung der nachfolgend benutzten Winkel α und β geht anschaulich aus Fig. 1 hervor. Während mit α und β Verstellwinkel gekennzeichnet sind, handelt es sich beim Winkel µ um den gemeinsamen Drehwinkel der Unwuchtwellen.)

Mit den Beispielen wird angedeutet, daß bis MR = f(β=90°) mit steigendem Winkel β gleichzeitig sowohl die Amplituden-Werte der Wechselmomente ansteigen, als auch der Anteil der negativen MR-Werte zunimmt.

Ab dem Funktionsverlauf für MR = f(β=90°) bis MR = f(β=180°) erfolgt eine geringfügige Abnahme der Amplituden-Werte. Bemerkenswerter ist jedoch, daß die negativen MR-Werte mit wachsendem Winkel β laufend zunehmen, bis schließlich bei β=180° der Anteil der positiven MR-Werte gleich dem Anteil der negativen MR-Werte ist.

Wenn man die Funktion von MR über den Drehwinkel 2 π integriert, erhält man den sogenannten Drehimpuls D. Teilt man den Wert für D durch 2π, erhält man ein durchschnittliches Reaktions-Drehmoment MR.

Die Größe von MR entspricht der Größe desjenigen Stell-Drehmomentes MD an der Unwuchtwelle, welches durch einen Verstellmotor aufgebracht wer­ den muß, um den zugehörigen Relativ-Stellwinkel β aufrecht zu erhalten.

Ermittelt man gemäß Fig. 5 für alle Werte von β das durchschnittliche Reaktions-Drehmoment MR und trägt die Werte für MR über dem Winkel β auf, so erhält man einen Kurvenverlauf wie in Fig. 6 dargestellt. Die Kurve für die Funktion MR = f(β) ist gleichzeitig ein Maß für das zur Auf­ rechterhaltung eines Winkels β aufzubringende Stell-Drehmoment MD = f(β) [mit MR=-MD].

Bemerkenswert ist in Fig. 6, daß die Abnahme des Funktionswertes für MR nach Überschreiten des Maximal-Punktes MP vom Maximal-Wert bis auf den Wert Null bei β=180° nicht in erster Linie auf eine Abnahme der Amplitu­ den-Werte der entsprechenden Funktionen in Fig. 5 zurückzuführen ist, sondern hauptsächlich auf den Umstand, daß sich mit zunehmendem Wert für Winkel β die positiven und die negativen MR-Werte mehr und mehr die Waage halten. Man kann mathematisch nachweisen, daß der Maximalpunkt MP bei β=90° liegen muß und die Kurve eine reine Sinuslinie ist.

Aus Fig. 6 entnimmt man aus dem Kurvenverlauf für MD = f(β) [=-MR] für einen Arbeitspunkt AP_I links vom Maximal-Punkt MP, daß bei einem einge­ prägten Stell-Drehmoment MD_AI am Stellmotor sich ein Winkel β_AI einstellt, wobei es für die Einhaltung dieser Zuordnung keinerlei Regelung bedarf.

Die ohne Regelung erreichbare Stabilität des Betriebszustandes bei vorgegebenem konstanten Wert für MD_AI erklärt sich aus dem Verhalten bei Abweichungen des Wertes von β_AI nach oben oder unten: Tendiert β_AI zu größeren Werten, so vergrößert sich auch das rückstellende Reaktions- Drehmoment MR und sorgt für eine Verkleinerung von β_AI. Tendiert β_AI zu kleineren Werten, so nimmt das innere Rückstellmoment MR ebenfalls ab, so daß sich der Wert β_AI unter dem Einfluß des Stell-Drehmomentes MD_AI zwangsläufig wieder vergrößern muß.

Ganz anders sieht jedoch das Betriebsverhalten in einem Arbeitspunkt A_PII auf dem absteigenden Kurvenast aus:

Tendiert der Winkel β_AII zu größeren Werten, so verkleinert sich das rückstellende Reaktions-Drehmoment MR, was wegen des nun entstehenden Überschusses von MD_AII gegenüber dem aktuellen Wert von MR zur Be­ schleunigung der Verstell-Drehung der entsprechenden Teil-Unwuchtkör­ per führt, wodurch sich der Winkel β automatisch weiter vergrößert. Ein ähnlich negatives Betriebsverhalten stellt sich ein bei Abweichungen des Wertes β_AII vom Sollwert zu kleineren Werten hin. Ein Stabilhalten des Ar­ beitspunktes A_PII kann insbesondere im rechten Teil des absteigenden Kurvenastes nur mit Gegen-Regeln mit einem negativen Stelldrehmoment erreicht werden.

Das stabile Einregeln eines Arbeitspunktes auf dem rechten Kurven-Teil der Funktion MD = f(β) erfordert aus den aufgezeigten Gründen einerseits einen echten Regler (mit Rückmeldung des Istwertes der Regelgröße β) und verursacht zum anderen durch den laufenden Vorzeichen-Wechsel des Stelldrehmomentes MD eine laufende Lastumkehr an den Getriebeteilen, was wegen des meistens vorhandenen Umkehrspieles zu unerwünschten hohen dynamischen Belastungen führt.

Im Vergleich dazu noch höhere dynamische Belastungen ergeben sich aus dem Verlauf der Reaktions-Drehmomente MR = f(β,µ) über den Drehwinkel µ gesehen:

Aus Fig. 5 entnimmt man folgende Zusammenhänge: Die Spitzenwerte der Reaktions-Drehmomente MR = f(β,µ) überragen die Größe des durchschnittlichen Reaktions-Drehmomentes MR = f(β), was für das Beispiel MR = f(β=90°) durch Schraffur dargestellt ist.

Da die Größe von MR ja mit dem konstant wirkenden Stell-Drehmoment MD gleichgesetzt werden kann, kann man die Wirkung der Drehmomente am Beispiel MR = f(β=90°) und MD = f(β=90°) für den Fall, daß bei der Kraftübertragung durch sämtliche, beteiligte Antriebsorgane kein Spiel auftritt, wie folgt deuten:

Beide Drehmomente wirken in entgegengesetzter Richtung auf die rotierba­ ren Massen ein. Während der Phase 1 bis 2 (in Fig. 5) überwiegt MR und es kommt zu einer zusätzlichen Beschleunigung der Drehmassen durch MR, was sich in einer Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit um den Betrag delta-w äußert (Siehe auch die Kurve für delta w in Fig. 5).

Während der Phase 2 bis 3 überwiegt das (verzögernde) Stell-Drehmoment MD, wodurch die Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit w um den Betrag delta-w wieder rückgängig gemacht wird.

Ist jedoch in der Kette der Kraftübertragung durch sämtliche beteiligte Antriebsorgane ein Umkehrspiel vorhanden, was normalerweise stets der Fall ist, so kommt es nicht nur zu einem Kräfte- bzw. Momentenverlauf, wie in Fig. 5 dargestellt, sondern es treten schlagende Beanspruchungen mit sehr viel höheren Spitzenwerten auf. Denn bei dem Vorhandensein von Umkehrspiel ist die "glättende Wirkung" von MR oftmals nicht mehr ge­ währleistet, und die Energie des Dralls (entsprechend der Fläche unter der Kurve "A", von 0 bis 2a in Fig. 5) setzt sich durch Massenbeschleuni­ gung vollständig in kinetische Energie um.

Hiermit erklärt sich zu einem großen Teil die Ursache der zu beobachten­ den negativen Auswirkungen von dynamischen Belastungen in den Antriebsorganen von bezüglich ihres Fliehmomentes M_R veränderbaren Schwingungserregungs-Vorrichtungen.

Die zu den Winkelgeschwindigkeits-Abweichungen delta-w zugehörigen Drehwinkel-Abweichungen delta-µ liegen typischerweise im Bereich zwi­ schen 0,5° und 1°, was z. B. bei als Antriebsorganen eingesetzten Zahnrä­ dern einen Betrag größer als das Zahnspiel ausmachen kann. Die Abwei­ chungen stellen jeweils die Unterschiede zwischen einem Teil-Unwuchtkör­ per erster Art und zweiter Art dar.

Die Verhältnisse bei dem zitierten Beispiel β=90° stellen noch nicht die schärfsten Wechselbelastungen dar. Diese stellen sich mit wachsendem Wert für Winkel β ein, wobei die Amplituden der Wechselmomente kaum abneh­ men, wohl aber die Größe des durchschnittlichen Reaktions-Drehmomentes MR, welch letzteres bei β=180° gar den Wert Null erreicht. Mit abnehmendem MR nimmt die Wirkung der Wechselmomente also noch zu.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprü­ chen 1 und 6 definiert und beruht auf dem nachfolgend beschriebenen Konzept:

• a) Zum Einstellen und Aufrechterhalten eines vorgegebenen Relativ- Stellwinkels β mit Hilfe der übergeordneten Stell-Einrichtung wird jedem Stellmotor ein nur in einer Richtung wirkendes Stell-Drehmoment MD eingeprägt, wobei die Richtung des Stell-Drehmomentes derart wirkt, daß eine Vergrößerung des Stell-Drehmomentes eine Vergrößerung des Relativ- Stellwinkels β zur Folge hat.
• b) Die Teil-Fliehmomente werden (um bis zu 30%) größer, als ei­ gentlich unbedingt notwendig, dimensioniert, derart, daß zwecks Einstel­ lung des vorgesehenen maximalen und zulässigen resultierenden Fliehmo­ mentes M_R,max eine Verstellung des Relativ-Stellwinkels β nur bis etwa in eine Größenordnung von 90° nötig ist.
• c) Die Begrenzung des Relativ-Stellwinkels β hat zur Folge, daß die Auswirkungen der Reaktions-Drehmomente MR, bzw. auch die zu dynami­ schen Belastungen führende Wirkung von fertigungsbedingtem oder von gebrauchsbedingtem Spiel (Umkehrspiel) an oder zwischen solchen Antriebsorganen, welche der Synchronisation des Drehwinkels zweier Teil- Unwuchtkörper der ersten Art oder der zweiten Art je eines Paares die­ nen (z. B. an Zahnrädern, Zahnriemen Kardanwellen), spätestens nach er­ folgter Einstellung des vorgegebenen Relativ-Stellwinkels β reduziert oder aufgehoben werden.
• d) Die Vermeidung von nachteiligen Wechselmomenten wird außerdem erreicht durch Inanspruchnahme von im Bereich eines Relativ-Stellwinkels β kleiner als 90° selbsttätig (durch die mitschwingende dynamische Masse mg) wirkenden inneren Kräften. Bei symmetrischer Beaufschlagung der Stellmotoren mit Stell-Drehmomenten befindet sich die Symmetrie der sich einstellenden Drehwinkel aller Teil-Unwuchtkörper nämlich in einem derart stabilen Zustand, daß auf andere Synchronisationsmittel im Prinzip gänzlich verzichtet werden kann.

Gemäß Patentanspruch 1 können die Antriebsorgane von der Belastung der Reaktions-Drehmomente MR praktisch komplett befreit werden, indem jedem Teil-Unwuchtkörper ein eigener Stellmotor zugeordnet wird, wobei die den Teil-Unwuchtkörpern gleicher Art zugeordneten Stellmotoren an die Teil- Unwuchtkörper Stell-Drehmomente MD mit gleich großem Betrag, jedoch un­ terschiedlicher Wirkrichtung übertragen, und wobei die Beträge der Stell- Drehmomente MD bei konstant gehaltenem Relativ-Stellwinkel β dem durch­ schnittlichen Reaktions-Drehmoment MR des zugeordneten Teil-Unwuchtkör­ pers entsprechen.

Mit den Mitteln gemäß Patentanspruch 6 kann die Wirkung dynamischer Belastungen aus Umkehrspiel dadurch reduziert oder aufgehoben werden, daß mit Erreichen des vorbestimmten Relativ-Stellwinkels β_max wenigstens bei einem Paar gegen einen den Relativ-Stellwinkel β begrenzenden An­ schlag gefahren und die Anschlagstellung mit einem Stell-Drehmoment fest­ gespannt wird.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 benötigt erstaunlicherweise im Prinzip keinerlei zusätzliche Synchronisiermittel zur Synchronführung der Drehwinkel aller Teil-Unwuchtkörper. Die Synchronhaltung des Relativ- Stellwinkels β wird durch das für jedes Paar gleich große Reaktions-Dreh­ moment MR bzw. durch das gegenwirkende Stell-Drehmoment MD besorgt, während die Synchronlage der Winkel beider Paare durch solche Massen­ kräfte bewirkt wird, die aus dem Trägheitsbestreben der auf beide Paare gemeinsam einwirkenden dynamischen Masse mg erklärbar ist. Man bedenke dabei, daß die oszillierende dynamische Masse mg den Teil-Unwuchtkörpern laufend wechselweise Drehbeschleunigungen und Drehverzögerungen zugleich, und damit synchronisierend, einprägt.

Wenngleich Synchronisiermittel nicht benötigt werden zur Synchronfüh­ rung der Drehwinkel, kann es dennoch zweckmäßig sein, solche als Sicherungsmaßnahme vorzusehen. In Fig. 2, wie auch in Fig. 4 sind zwi­ schen zwei Teil-Unwuchtkörpern gleicher Art zweier Paare Zahnräder als Sicherungsmaßnahmen vorgesehen. Diese Zahnräder übertragen normaler­ weise keine Synchronisierkräfte oder andere Kräfte und können daher auch ohne Schmierstoff-Zugabe betrieben werden. Sie haben lediglich die Aufgabe, den Synchronlauf in Notfällen bei von außen einwirkenden Sym­ metriestörungen zu sichern.

Ganz im Gegensatz zu der Erfindung nach der DE-PS 41 16 647 C1 ist bei der vorliegenden Erfindung eine Rückmeldung der Drehwinkel-Istlage nicht notwendig, wie auch eine Lage-Regelung bezüglich des Drehwinkels nicht stattfindet.

Die mögliche Parallel-Beaufschlagung mehrerer Motoren, wie überhaupt die Anwendung des Prinzips der Steuerung (anstatt Regelung) leisten den Haupt-Beitrag bezüglich Vereinfachung und Kostenreduzierung bei Anwen­ dung einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Zu den Vorteilen, die sich aus der Beschränkung des Verstellbereiches im Wesentlichen auf Werte zwischen 0° und 90° für den Relativ-Stellwinkel β ergeben, gehört auch, daß man dabei den Bereich mit den höchsten Wech­ sel-Momenten MR vermeidet. [Siehe auch MR = f(β=180°) in Fig. 5] Die zusätzliche Benutzung eines den Relativ-Stellwinkel β begrenzenden Anschlages kann aus mehreren Gründen sinnvoll sein. Z.B. kann man Win­ kel β < 90° einstellen oder bei β < 90° einen gewünschten Relativ-Stellwinkel β gegen Veränderungen durch diverse denkbare Störgrößen schützen.

Das Begrenzen des Relativ-Stellwinkels β erfolgt bei der Lösung nach Pa­ tentanspruch 6 durch einen Anschlag, wobei zwei Anschlagsorgane mit ei­ nem durch die Stellmotoren erzeugten Drehmoment festgespannt werden.

Um bei dieser Lösung den Relativ-Stellwinkel β variieren zu können, kann man den Anschlag selbst versetzen bzw. verändern.

Eine einfache Lösung ergibt sich dann, wenn man eines der Anschlagor­ gane parallel oder koaxial verschieblich zu einer Drehachse der Vorrich­ tung anordnet, wozu das Anschlagorgan auch nicht mitumlaufend ange­ bracht sein kann.

Ein derart variierbarer Anschlag wäre auch für eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 einsetzbar.

Die Unteransprüche definieren weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Konzeptes.

Besonders hervorgehoben werden sollen folgende - in den Unteransprüchen berücksichtigte - Weiterentwicklungen der Erfindung:

• - Es kann sehr zweckmäßig sein, Stellmotoren zugleich auch als Antriebsmotoren zu betreiben. Dabei ist zu bedenken, daß die Stellmotoren an den Teil-Unwuchtkörpern der einen Art ein Stell-Drehmoment MD mit umgekehrten Vorzeichen wie an den Teil-Unwuchtkörpern der anderen Art aufzubringen haben. Da es sich bei den Stell-Drehmomenten MD um solche Drehmomente handelt, die nur bedingt zur Nutzarbeit herangezogen werden können, ist es sinnvoll, die Stell-Drehmomente MD sich über eine Reihenschaltung der Stellmotoren gegeneinander abstützen zu lassen. Dies ist am einfachsten möglich bei Anwendung von Hydraulikmotoren. Wie dabei eine Druckaufteilung bezüglich der Stell-Drehmomente und der Arbeits- Antriebsmomente aussehen kann, ist für eine hydraulische Lösung anhand eines konkreten Beispiels in der OS PCT/EP 90/02 239 (Seite 14) ausführlich beschrieben.
• - Da eine Synchronführung der Drehwinkel (bis zu einem möglichen Anschlag) ausschließlich über die Größe der Stell-Drehmomente MD bzw. über die Größe von aus Massenkräften abgeleiteten Drehmomenten erfolgt, müssen die Antriebsmittel, mit Hilfe derer die Drehmomente von den Stell­ motoren zu den Wellen der Teil-Unwuchtkörper geleitet werden, die Dreh­ momente nicht zwangsläufig winkelgetreu übertragen.

Es ist daher möglich, Keilriemen einzusetzen, ohne Nachteile des bei ihrem Einsatz entstehenden Schlupfes hinnehmen zu müssen.

• - Als Stellmotoren, die hier ja ihr Stell-Drehmoment MD einerseits in Richtung der Drehrichtung und andererseits entgegen der Drehrichtung erzeugen müssen, eignen sich vorzüglich (handelsübliche) Drehstrom-Mo­ toren, welche bei der Einstellung des Winkels β von der Stelleinrichtung mit zwei unterschiedlichen Drehstromsystemen beaufschlagt werden, wobei eines der Drehstromsysteme mit dem normalen Ortsnetz identisch sein kann.

Beim Einsatz als reine Stellmotoren könnte der direkt am Netz betriebene Drehstrom-Motor - als Generator arbeitend - die dem mit höherer Frequenz arbeitenden Stellmotor zugeführte Energie wieder in das Netz zurücklie­ fern (von stets in Kauf zu nehmenden Wandlungs- und Reibungsverlusten einmal abgesehen).

Da in diesem Falle der motorische Schlupf das Drehmoment und infolgedes­ sen auch das Stell-Drehmoment MD bestimmt, wäre die Frequenz-Differenz ein Maß für den Relativ-Stellwinkel β.

Der Vorteil dieser Betriebsart bleibt beim Einsatz von Drehstrom-Asyn­ chron-Motoren auch dann noch erhalten, wenn die Asynchron-Motoren gleichzeitig Stellmotoren und Arbeits-Antriebsmotoren sind. Eine Anwen­ dung ist dann besonders vorteilhaft, wenn elektrische Motoren wegen der Kosten und/oder der Funktion bevorzugt sind und gleichzeitig auch noch eine elektrische Verstellbarkeit der Drehzahlen erwünscht ist.

• - Die Größe der abgegebenen Nutzleistung einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist in der Regel abhängig von der Schwingungsamplitude, mithin auch abhängig von dem Relativ-Stellwinkel β.

Bei einer vorgegebenen begrenzten Leistungszufuhr von außen zu der Schwingungserregervorrichtung kann man durch Beeinflussung des Rela­ tiv-Stellwinkels β dafür sorgen, daß die abgegebene Nutzleistung zusammen mit der unvermeidlichen Verlustleistung gerade der maximal von außen zuführbaren Antriebsleistung entspricht.

Oftmals ist es erwünscht, kurzzeitig die Nutzleistung über die Grenze der ständig abgebbaren Leistung hinaus steigern zu können, wozu man unter Inkaufnahme absinkender Drehzahlen und Nutzung der Verstellbarkeit des resultierenden Fliehmomentes M_R die gespeicherte kinetische Energie (oder die in einem Druckspeicher gespeicherte Energie) heranziehen kann.

Um dem Energiespeicher wieder auffüllen zu können, muß anschließend die Nutzleistungs-Abgabe wieder reduziert oder ganz unterbrochen werden.

Ein Verfahren, bei welchem hierfür die Verstellbarkeit des Relativ-Stellwin­ kels β eingesetzt wird, ist in Anspruch 30 bis 35 definiert.

Mit den entsprechenden Merkmalen ausgerüstet, kann man z. B. einen mit einem Bagger-Motor betriebenen Ramm-Vibrator kurzzeitig mit einer höhe­ ren (z. B. doppelt so hohen) Ramm-Kraft betreiben, als es die normale Motorleistung des Baggers zulassen würde.

Kombiniert man diese Eigenschaft mit anderen, durch die vorliegende Erfindung ebenfalls ermöglichten vorteilhaften Merkmalen eines Ramm-Vi­ brators (wie geräuscharmer Betrieb und der Möglichkeit des Durchfahrens von durch den Ramm-Boden vorgegebenen Resonanzfrequenzen mit Null- Amplitude), so erhält man einen idealen, sogenannten Stadt-Vibrator.

• - Eine Schwingungserregungsvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 benötigt im Prinzip keinerlei Synchronisierungsmittel zur Synchronregelung der Drehwinkel der Teil-Unwuchtkörper des einen Paa­ res relativ zu dem anderen Paar. Diese Eigenschaft ermöglicht es, unterschiedliche Relativ-Stellwinkel β für beide Paare einzustellen.

Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Richtung der gerichteten Schwin­ gung relativ zum Vorrichtungs-Gestell zu verändern. Anwendungen für eine derartige Schwingrichtungs-Steuerbarkeit ergeben sich z. B. bei Rütt­ lern für die Bodenverdichtung, bei denen damit nicht nur die vertikal wirkende Rüttel-Intensität variiert, sondern auch eine horizontal wirkende Beschleunigungskomponente für den Verlagerungs-Vorschub erzeugt wer­ den kann.

Bei Formereimaschinen-Rütteltischen können mit der steuerbaren Schwingrichtung z. B. auch Horizontal-Schwingungen erregt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schwingungserregungsvorrichtung mit 4 Teil-Unwuchtkörpern und 4 hydraulisch betriebenen Motoren.

Fig. 2 zeigt in einem in Fig. 3 mit E-F bzw. mit K-L gekennzeichneten Schnittverlauf senkrecht zu den Drehachsen eine Vorrichtung zur Schwingungserregung mit zwei Paaren von Teil-Unwuchtkörpern mit für jedes Paar koaxial angeordneten Teil-Unwuchtkörpern.

Fig. 3 ist der Schnitt durch eine Vorrichtung nach Fig. 2 gemäß der dort mit G-H gekennzeichneten Schnittführung.

Fig. 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit 4 Elektromotoren und deren Ansteuerung mittels eines Frequenz-Umrichters.

Fig. 5 zeigt Diagramme zum Verlauf von Reaktions-Drehmomenten, aufge­ tragen über dem Drehwinkel µ der Unwuchtkörper.

Fig. 6 zeigt Diagramme für den Verlauf des notwendigen Stell-Drehmo­ mentes MD und des resultierenden Fliehmomentes M_R über dem Relativ- Stellwinkel β.

In Fig. 1 sind in einem massebehafteten Gestell 109 4 Wellen 116 bis 119 mit daran befestigten, mit bezüglich ihres Teil-Fliehmomentes gleich großen Teil-Unwuchtkörpern 101, 102, 105, 106 gelagert.

Jeder der 4 Wellen ist ein bezüglich des spezifischen Drehmomentes gleich großer Hydraulikmotor 103, 104, 107, 108 zugeordnet. Die Umlaufrichtung der Wellen ist mit w (w für Winkelgeschwindigkeit) gekennzeichnet.

Die Teil-Unwuchtkörper 101 + 105 bzw. 102 + 106 bilden jeweils ein Paar (im Beispiel auch durch gleiche Umlaufrichtungen gekennzeichnet) mit Teil- Unwuchtkörpern der ersten Art 101 bzw. 102 und der zweiten Art 105 bzw. 106, zwischen denen ein Relativ-Stellwinkel β einzustellen ist (Winkel α ist Komplementär-Winkel α=180°-β).

Ein Aggregat zur Erzeugung zweier getrennter Fluid-Volumenströme ist vorgesehen, mit einem elektrischen Antriebsmotor 110, einer Pumpe 115 mit konstantem Fördervolumen und einer Pumpe 214 mit veränderbarem Fördervolumen, welches durch den Sollwertgeber 213 auf elektrischem Wege vorgebbar ist. Mit einem Druckbegrenzungs-Ventil 111 ist der Druck am Ausgang der Pumpe 115 einstellbar. Über ein elektrisch ansteuerbares Druckregelventil 112 ist der Druck im Leitungsteil 117 innerhalb bestimm­ ter Grenzen beliebig einstellbar.

Die den beiden Paaren zugeordneten Motoren-Gruppen werden parallel und mit gleichem Eingangsdruck an den Motoren von der Pumpe 114 beauf­ schlagt. Die Motoren eines jeden Paares sind in Serie geschaltet. Auf diese Weise ist allen Motoren die gleiche Drehgeschwindigkeit vorgegeben, die ihrerseits durch ein verändertes Fördervolumen der Pumpe 114 variiert werden kann.

Die Betriebsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 ist folgende:

Es gelangt die technische Lehre nach Patentanspruch 1 zum Einsatz. Die Hydraulikmotoren werden als Arbeits-Antriebsmotoren und als Stellmotoren zugleich eingesetzt. Die Teil-Unwuchtkörper 101 und 102 mö­ gen aus Sicherheitsgründen mittels zweier, je einer Welle 117 und 118 zu­ geordneter Zahnräder (angedeutet durch die Berührung der die Teil-Un­ wuchtkörper symbolisierenden Kreise) zwangssynchronisiert sein. Da über diese Zahnräder im Normalfall keine Kräfte zu übertragen sind, könnte diese Art der Zwangssynchronisation aber auch entfallen.

Es wird angenommen, daß der Druck am Ausgang 117 des Druckregelventils 112 zunächst kleiner ist als im Leitungsteil 118 und daß alle Motoren mit einer gleichen Drehzahl rotieren, wobei der Relativ-Stellwinkel β zunächst ebenfalls den Wert Null hat.

In den Leitungsteilen L₃ bzw. L₁ und L₂ haben sich Drücke aufgebaut, welche in erster Linie von den rheologischen Verhältnissen und von den beim Umlauf der rotierenden Teile entstehenden Reibleistungen bestimmt sind.

Stellt man nun am Ausgang 117 des Druckregelventils 112 einen Druck ein, der größer ist, als der vorher im Leitungsteil 118 herrschende, so müssen die Motoren 103 und 104 zusätzlich gegen diesen Druck anarbeiten, was für die Motoren einen gleichzeitigen Pumpbetrieb (Generatorbetrieb) be­ deutet, wozu sie das Zusatz-Drehmoment MD_P benötigen.

Durch die Druckerhöhung an L₁ bzw. L₂ bedingt, geben die Motoren ein zusätzliches Drehmoment MD_M ab.

Durch die Einwirkung der zusätzlichen Drehmomente MD_P und MD_M wurde an jedem Paar der Relativ-Stellwinkel β erzeugt, welcher seinerseits be­ wirkte, daß an den Teil-Unwuchtkörpern erster Art 101, 102 ein Reaktions- Drehmoment MR_I und an den Teil-Unwuchtkörpern zweiter Art 105, 106 ein umgekehrt gerichtetes Reaktions-Drehmoment MR_II auftrat.

Mit der Höhe des Druckes am Leitungsteil 118 kann der Winkel β innerhalb des Bereiches 0° und 90° beliebig eingestellt werden.

Wie man aus Fig. 1 entnehmen kann, sind die Reaktions-Drehmomente den Zusatz-Drehmomenten entgegengerichtet, dabei sind die jeweiligen Beträge der entgegengerichteten Drehmomente gleich. Die Zusatz-Drehmomente stel­ len die Stell-Drehmomente MD dar (MD=-MR).

Die von den Motoren 107 und 108 aufzubringenden Zusatz-Drehmomente MD_M werden nach Umwandlung durch am Gestell wirkende innere Kräfte den Motoren 103 und 104 als Zusatz-Drehmomente MD_P wieder zugeführt.

Man erkennt, daß für jedes Paar betrachtet, gilt, daß eine dem Produkt Ps = MD_M×w = MD_P×w entsprechende Scheinleistung auf einem geschlosse­ nen Transportweg (Wellen, Gestell, Motoren, Leitungen L₁ bzw. L₂) dauernd umgewälzt wird. (Zur Erläuterung der Druckverhältnisse vor und hinter den Motoren, siehe auch OS PCT/EP 90/02 239, Seite 14).

In den Fig. 2 und 3 ist eine Schwingungserregungsvorrichtung nach der Erfindung gezeigt, die eine spezielle Variante der in Fig. 1 in schema­ tisierter Form vorgestellten Vorrichtung darstellt.

Es handelt sich um eine Variante, bei welcher die Teil-Unwuchtkörper ei­ nes jeden Paares koaxial angeordnet sind.

In Fig. 2 entspricht der linke Zeichnungs-Teil der Schnittführung E-F und der rechte Zeichnungs-Teil der Schnittführung K-L. In Fig. 3 erkennt man ein aus Teilen 209 und 219 zusammengesetztes Gestell mit Rollenlagern 202 und 206, in welchen eine geteilten Welle mit den Teil-Wellen 216 bzw. 217 gelagert ist.

Eine Koaxialführung beider Teil-Wellen mit der Möglichkeit einer Relativdrehung gegeneinander wird dadurch erreicht, daß das rechte Wel­ lenende 220 von Teil-Welle 216 in zwei Nadellagern 211 gelagert ist, wäh­ rend die Nadellager ihrerseits in einer Bohrung 210 des Hohlzylinder-En­ des 207 der Teil-Welle 217 abwälzen können.

Auf dem Hohlzylinder-Ende 207 sind zwei bezüglich ihres Fliehmomentes gleich große Unwuchtkörper 201a und 201b mit gleich gerichteter Schwerpunktslage befestigt (Siehe auch Fig. 2). Zwischen ihnen ist ein weiterer Unwuchtkörper 205 mit einem doppelt so großen Fliehmoment wie dem von Unwuchtkörper 201a und mit einer um 180° gedreht angeordne­ ten Schwerpunktslage (bezogen auf Unwuchtkörper 201a) untergebracht, und zwar derart, daß er - gelagert mit einem Nadellager 218 - relativ zur Teil-Welle 217 verdrehbar ist.

Der Unwuchtkörper 205 ist drehmomentübertragend mit der Teil-Welle 216 verbunden, was durch einen Anschlagbolzen 213 bewerkstelligt wird. Die­ ser ist mit zwei abgesetzten Zylinderteilen jeweils in eine Bohrung 224 im Unwuchtkörper 205 und in eine Bohrung 222 im Scheibenteil 212 der Teil- Welle 216 eingepreßt.

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung ist samt Lagerung mit den Rollenlagern zweimal in der gleichen Ausführung im Gestell 209/219 untergebracht, wie auch aus Fig. 2 ersichtlich ist, wo gleiche Teile beider Gruppen mit glei­ chen Bezugszeichen-Zahlen gekennzeichnet sind. Beide Gruppen sind zwangssynchronisiert durch zwei miteinander kämmende Zahnräder 204, 204′ mit Teilkreisen 226, 226′. Wie in Fig. 3 erkennbar, sind die Zahnräder 204, 204′ fest mit den Teil-Wellen 217, 218 verbunden.

Die Verdrehbarkeit des Unwuchtkörpers 205 relativ zu den Unwuchtkör­ pern 201a und 201b wird begrenzt durch einen Anschlag, der dadurch gebildet wird, daß nach einer Relativdrehung von β=90° aus der ge­ zeichneten Stellung der Anschlagbolzen 213 (durch den Kreis 228 symboli­ siert) gegen eine Anschlagfläche 230 am Unwuchtkörper 201a zu liegen kommt.

Wie in Fig. 3 mit den Motoren 203 und 207 schematisch angedeutet, sind 4 Hydraulikmotoren vorhanden und drehmomentübertragend mit den 4 Teil- Wellen 216, 219, 217, 218 verbunden.

Im Vergleich mit der Anordnung in Fig. 1 ergeben sich für die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Vorrichtung folgende Übereinstimmungen:

Wellen 117 und 118 bzw. Wellen 116 und 119 sind die Teil-Wellen 217 und 218 bzw. 217′ und 218′.

Motoren 103 und 104 bzw. Motoren 107 und 108 sind die Motoren 203 und 203′ bzw. 207 und 207′.

Die Teil-Unwuchtkörper 101 bzw. 102 entsprechen den zweigeteilten Teilunwuchtkörpern 201a und 201b bzw. 201a′ und 201b′. Die Teil- Unwuchtkörper 105 bzw. 106 entsprechen den Teil-Unwuchtkörpern 205 bzw. 205′.

Die Betriebsweise ist die gleiche wie für Fig. 1 beschrieben. Allerdings könnten die Motoren auch Elektromotoren sein und dann z. B. auch derart betrieben werden, wie es für die Anordnung nach Fig. 4 beschrieben wird.

Die gezeichnete Lage der Schwerpunkte in Fig. 2 und 3 entspricht einem Relativ-Stellwinkel β=0°. Der Verstellbereich für den Winkel β beträgt ma­ ximal 90° und wird durch den bereits beschriebenen mechanischen An­ schlag begrenzt. Entgegen der zeichnerischen Darstellung könnte der durch den Anschlag begrenzte Verstellbereich für den Relativ-Stellwinkel β jedoch auch größer oder kleiner als 90° ausgeführt werden.

Der besondere Vorteil einer Koaxial-Ausführung wie in Fig. 2 und 3 ge­ zeigt, ist neben einer platzsparenden Bauweise vor allem der Umstand, daß bei einem Betrieb der Vorrichtung mit einem geringen Betrag oder gar mit dem Betrag Null für den Relativ-Stellwinkel β sich eine Reduzierung oder gar eine komplette Entlastung der Wellenlager von den Fliehkräften ergibt. Dieser Gesichtspunkt ist besonders wichtig für Anwendungsfälle, wo - wie z. B. bei Rütteltischen für Formereimaschinen - ein ständiger Durchlaufbe­ trieb vorgesehen ist mit überwiegender Betriebsweise β=0°.

Mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 2 und 3 könnte man aber auch die technische Lehre gemäß Patentanspruch 6 realisieren:

Z.B. könnte man nach Erreichen der Anschläge die Motoren 203 und 207 bzw. 203′ und 207′ gegeneinander verspannen (z. B. durch Druckbeauf­ schlagung auf den Leitungsteilen L₂, L₃). Man könnte auch die Scheiben­ teile 212 und 212′ als miteinander kämmende Zahnräder ausbilden und - indem man dafür sorgt, daß nur über den Anschlagbolzen 213′ ein den Relativ-Stellwinkel β begrenzender Anschlag erfolgt - dabei lediglich die Motoren 203 und 207 gegeneinander verspannen, so daß die Verspannung über beide Zahnradpaare bis zum Anschlag geleitet würde.

Fig. 4 zeigte eine Schwingungserreger-Vorrichtung, welche bezüglich der Anordnung und der Wirkungsweise der Teil-Unwuchtkörper und der Moto­ ren ähnlich wie die Vorrichtung in Fig. 1 aufgebaut ist, mit lediglich dem Unterschied, daß die Motoren als 3-Phasen-Asynchron-Motoren elektrisch betrieben sind. In der Funktion vergleichbare Organe weisen in beiden Fi­ guren die gleichen beiden Endziffern in den Bezugszeichen auf.

Die Motoren 403 und 404 werden unmittelbar vom Netzgenerator 430 beauf­ schlagt, während der Anschluß der Motoren 407 und 408 an das Netz unter Zwischenschaltung eines Frequenz-Umrichters 432 erfolgt.

Die Betriebsweise ist mit der die Verhältnisse vereinfachenden Annahme, daß Reibleistungen und andere Verlustleistungen gleich Null gesetzt wer­ den können, wie folgt:

Zunächst laufen alle Motoren mit gleicher Drehzahl in der angegebenen Drehrichtung w bei einem Relativ-Stellwinkel β=0° um, wobei die Fre­ quenz f₂ gleich der Netzfrequenz f₁ ist. Die Zusatz-Drehmomente bzw. Stell-Drehmomente MD weisen ebenso wie der motorische und generatori­ sche Schlupf den Betrag Null auf.

Um einen bestimmten Relativ-Stellwinkel β einzustellen, wird die Frequenz f₂ in Bezug auf f₁ um 10% erhöht. Mit dem sich nun einstellenden Schlupf von 5% wird in den Motoren 407 und 408 ein motorisches Stell-Drehmoment MD_M entwickelt, welches in beiden Paaren eine Verstellung des Relativ- Stellwinkels β auf einen entsprechenden Wert zur Folge hat, wobei im Ge­ folge der Verstellung die Teil-Unwuchtkörper 405 und 406 Reaktions-Dreh­ momente MR_II entwickeln, die den gleichen Betrag wie die motorischen Stell-Drehmomente MD_M aufweisen.

Die sich automatisch an den Teil-Unwuchtkörpern 401 und 402 einstellen­ den Reaktions-Drehmomente MR_I treiben die Motoren 403 und 404 über ihre Synchrondrehzahlen hinaus in einen Generatorbetrieb mit 5% generatori­ schem Schlupf, bei welchem sich ein generatorisches Stell-Drehmoment MD_G vom gleichen Betrag wie bei den Motoren 407 und 408 einstellt.

Die von den Motoren 403 und 404 in das Netz eingespeiste Leistung hat die gleiche Größe wie die von den Motoren 407 und 408 aus dem Netz be­ zogene Leistung (Verlustleistungen als Null angenommen). Beide Leistungen können als Scheinleistungen angesehen werden.

Beim wirklichen, praktischen Betrieb arbeiten die Motoren als Stellmotoren und Arbeits-Antriebsmotoren zugleich. An jeder der 4 Wellen ist ein Ar­ beits-Drehmoment MD_A aufzubringen, welches auch die Reibungsverluste mit beinhaltet. Solange an den Wellen 417 und 418 MD_A < MR_I ist, arbeiten die Motoren 403 und 404 generatorisch. Für den Fall, daß auch die Motoren 403 und 404 über einen Frequenz-Umrichter (434) betrieben werden sollen, wäre für den Generator-Betrieb eine anderweitige Energie-Ausschleusung vorzunehmen. Statt dessen kommen natürlich noch andere Lösungen in Frage (wie z. B. die Gleichstrombremsung), um an diesen Motoren ein "Bremsmoment" zu erzeugen.

Auf den Inhalt der Kurvendiagramme der Fig. 5 und 6 wurde bereits im Verlaufe der Beschreibungseinleitung eingegangen.

In Fig. 5 ist über den Drehwinkel µ der Unwuchtkörper über einen Winkelbereich von 2 π dargestellt:

• - Der Verlauf der Reaktions-Drehmomente MR in Abhängigkeit vom Relativ-Stellwinkel β für β=30°, 90° und 180°.
• - Die Größe der durchschnittlichen Reaktions-Drehmomente MR in Abhängigkeit vom Relativ-Stellwinkel β für β=30° und 90° [MR(β=180°)=0]. Hinzuweisen ist darauf, daß die Größe der durchschnittlichen Reaktions- Drehmomente MR dem Betrag nach stets gleich der Größe der für die Ein­ stellung des entsprechenden Relativ-Stellwinkels β benötigten Stell- Drehmomente MD sind.
• - Die Größe des optimalen Verspann-Drehmomentes MDVS für den Fall β=90°. Bei der Dimensionierung des Drehmomentes MDVS in dieser Größe ist sichergestellt, daß an den Anschlagorganen nach Aufbringung des Verspann-Drehmomentes kein Umkehrspiel mehr auftritt.
• - Die Größe der Winkelgeschwindigkeits-Schwankungen delta w in­ folge der Abweichungen der Größe MR f(β) vom Stell-Drehmoment MD = f(β) für den Fall β=90° und unter der Voraussetzung fehlenden Umkehrspie­ les in den Antriebsgliedern.

In Fig. 6 ist als Diagramm-Kurve über dem Relativ-Stellwinkel β darge­ stellt:

• - Der Verlauf des durchschnittlichen Reaktions-Drehmomentes MR = f(β). Da MR = f(β) vom Betrag her gesehen stets gleichgesetzt werden kann mit dem notwendigen Stell-Drehmoment MD = f(β), und da bei Hydraulik-Motoren das Stell-Drehmoment proportional abhängig ist von dem hydraulischen Stell-Druck p_s, repräsentiert die gleiche Kurve alle 3 Größen.
• - Das resultierende Fliehmoment M_R. Die Kurve zeigt, daß bei β= 90° bereits 70,7% vom maximal möglichen Wert erreicht sind.

Claims (39)

1. Vorrichtung zur Schwingungserregung eines Vorrichtungsgestells in einer vorgebbaren Richtung mit den Merkmalen:

• - Die Vorrichtung weist in dem Gestell gelagerte und zum Umlauf um eine zugeordnete Achse antreibbare Teil-Unwuchtkörper zum Erzeugen von Teil-Fliehkraftvektoren auf, von denen jeweils ein erster und ein zweiter Teil-Unwuchtkörper ein Paar bilden, deren Teil-Fliehmomente rela­ tiv zu einander um einen Relativ-Stellwinkel β zumindest zwischen einer ersten Position (β=0°), in der das resultierende Fliehmoment minimal ist, und einer zweiten Position, in der das resultierende Fliehmoment einen vorbestimmten Maximalwert erreicht hat, verdrehbar sind,
• - die Vorrichtung umfaßt wenigstens 2 Paare von Teil- Unwuchtkörpern,
• - ein Stellantrieb mit aus Rotor und Stator bestehenden Stellmotoren ist vorgesehen für die Erzeugung einer Relativverdrehung zwischen den jeweils ein Paar bildenden Teil-Unwuchtkörpern auch während deren Um­ laufs, wobei die Stell-Drehmomente MD, das sind die Verstell-Drehmomente bzw. die Halte-Drehmomente für die Verstellung bzw. Aufrechterhaltung ei­ nes Relativ-Stellwinkels β, für die ersten und die zweiten Teil-Unwucht­ körper jeweils von mit umlaufenden Motor-Rotoren abgeleitet sind,
• - eine Stelleinrichtung ist vorgesehen zur Beaufschlagung der Stellmotoren mit die Stell-Drehmomente bestimmenden Stell-Energiemengen bzw. Stell-Leistungen, mit denen für eine bestimmte Konstellation von Be­ triebsbedingungen zugleich auch die Relativ-Stellwinkel β festgelegt sind,
  gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:
• a) jedem Teil-Unwuchtkörper (101, 102, 105, 106) ist ein eigener Stell­ motor (103, 104, 107, 108) zugeordnet, mit dem er drehmomentübertragend verbunden ist,
• b) die den Teil-Unwuchtkörpern gleicher Art (101, 102); (105, 106) zugeordneten Stellmotoren (103, 104; 107, 108) übertragen ihnen eingeprägte Stell-Drehmomente MD an die Teil-Unwuchtkörper mit gleich großem Betrag, jedoch mit unterschiedlichen Wirkrichtungen, und zwar bei der einen Art in Umlaufrichtung und bei der anderen Art entgegen der Umlaufrichtung wirkend,
• c) für den maximalen Sollwert des resultierenden Fliehmomentes M_R ist eine maximal zulässige Größe M_R,max festgelegt, welche durch die Stell­ einrichtung nach der Eingabe des maximalen Sollwertes in einen maximalen Relativ-Stellwinkel β_max gewandelt ist, wobei die Größe des maximalen Re­ lativ-Stellwinkels β_max auf Werte im Bereich von β=90° oder auf Werte un­ terhalb von 90° festgelegt sind,
• d) die Teil-Unwuchtkörper verfügen über Teil-Fliehmomente mit ei­ nem in mkg definierbaren Wert, derart, daß die Summe der Absolutwerte der Teil-Fliehmomente der wenigstens 2 Paare größer ist als der absolute Wert des maximal zulässigen resultierenden Fliehmomentes |M_R,max|.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine spiegelbildlich symmetrische Synchronführung des Drehwinkels als einer Summe von Umlauf-Drehwinkel und anteiligem Relativ-Stellwinkel β für we­ nigstens zwei Teil-Unwuchtkörper einer Art (101, 102); (105, 106) im wesentli­ chen durch Einwirkung von Massenkräften erfolgt ist, und daß die Drehwinkelkomponente für den Relativ-Stellwinkel β synchron geführt ist durch die auf die wenigstens zwei Teil-Unwuchtkörper einer Art einwir­ kenden, gleich groß gehaltenen Stell-Drehmomente MD.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Gleichhaltung der Beträge der Stell-Drehmomente, welche den Teil-Unwuchtkörpern je ei­ ner Art zugeordnet sind, bewirkt ist durch die Vorgabe der gleichen, das Stelldrehmoment bestimmenden physikalischen Größe (z. B. Druck) an die Stellmotoren durch Parallelschalten der Stellmotoren an dasselbe Stell­ größen-Erzeugungsgerät (112); (432, 434) mittels hydraulischer oder elektri­ scher Leitungen (118); (436, 438).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Be­ grenzungseinrichtung (230) für die Verstellung des Relativ-Stellwinkels β auf den maximalen Relativ-Stellwinkel β_max vorgesehen ist, bei Erreichen welcher Grenze ein Eingriff in das Stell-Drehmoment oder in die Winkel- Verstellbewegung erfolgt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Winkel-Verstellbewe­ gung durch einen mechanischen Anschlag (213, 230) begrenzt wird, gegen welchen Anschlag ein von den Verstellmotoren erzeugtes Festspann-Dreh­ moment wirksam ist.

6. Vorrichtung zur Schwingungserregung eines Vorrichtungsgestells in einer vorgebbaren Richtung mit den Merkmalen:

• - Die Vorrichtung weist in dem Gestell gelagerte und zum Umlauf um eine zugeordnete Achse antreibbare Teil-Unwuchtkörper zum Erzeugen von Teil-Fliehkraftvektoren auf, von denen jeweils ein erster und ein zweiter Teil-Unwuchtkörper ein Paar bilden, deren Teil-Fliehmomente rela­ tiv zu einander um einen Relativ-Stellwinkel β zumindest zwischen einer ersten Position (β=0°), in der das resultierende Fliehmoment minimal ist, und einer zweiten Position, in der das resultierende Fliehmoment einen vorbestimmten Maximalwert erreicht hat, verdrehbar sind,
• - die Vorrichtung umfaßt wenigstens 2 Paare von Teil-Unwuchtkör­ pern,
• - ein Stellantrieb mit aus Rotor und Stator bestehenden Stellmotoren ist vorgesehen für die Erzeugung einer Relativverdrehung zwischen den jeweils ein Paar bildenden Teil-Unwuchtkörpern auch während deren Um­ laufs, wobei die Stell-Drehmomente MD, das sind die Verstell-Drehmomente bzw. die Halte-Drehmomente für die Verstellung bzw. Aufrechterhaltung ei­ nes Relativ-Stellwinkels β, für die ersten und die zweiten Teil-Unwucht­ körper jeweils von mit umlaufenden Motor-Rotoren abgeleitet sind,
• - eine Stelleinrichtung ist vorgesehen zur Beaufschlagung der Stellmotoren mit die Stell-Drehmomente bestimmenden Stell-Energiemengen bzw. Stell-Leistungen, mit denen für eine bestimmte Konstellation von Be­ triebsbedingungen zugleich auch die Relativ-Stellwinkel β festgelegt sind,
  gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:
• a) den Teil-Unwuchtkörper erster Art (101, 102) und zweiter Art (105, 106) ist jeweils wenigstens ein Stellmotor (103, 107) zugeordnet, dessen Rotor mit den Teil-Unwuchtkörpern drehmomentübertragend verbunden ist,
• b) für den am Ende des kontinuierlich einstellbaren Verstell- Bereiches stehenden maximalen Sollwert des resultierenden Fliehmomentes M_R ist eine maximal zulässige Größe M_R,Kon,max festgelegt, welche durch die Stelleinrichtung nach der Eingabe des maximalen Sollwertes in einen maximalen Relativ-Stellwinkel β_Kon,max gewandelt ist, wobei die Größe des maximalen Relativ-Stellwinkels β_Kon,max auf Werte im Bereich von β=90° oder auf Werte unterhalb von 90° festgelegt sind,
• c) die Teil-Unwuchtkörper verfügen über Teil-Fliehmomente mit ei­ nem in mkg definierbaren Wert, derart, daß die Summe der Absolutwerte der Teil-Fliehmomente der wenigstens 2 Paare größer ist als der absolute Wert des maximal zulässigen resultierenden Fliehmomentes |M_R,Kon,max|.
• d) spätestens mit Erreichen des vorbestimmten maximalen Relativ- Stellwinkels β_max ist wenigstens bei einem Paar der Relativ-Stellwinkel β durch einen mechanischen Anschlag (213′, 230′) begrenzt worden, gegen welchen Anschlag ein von den Verstellmotoren erzeugtes Festspann-Dreh­ moment wirksam ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die ge­ gen den Anschlag (213, 230) gerichtete Winkel-Verstellbewegung derart ge­ wählt ist, daß die durchschnittlichen Reaktions-Drehmomente MR den Fest­ spann-Drehmomenten entgegenwirkend gerichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Festspann- Drehmomente größer sind als die durchschnittlichen Reaktions-Drehmomente MR.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der wenigstens zwischen zwei Teil-Unwuchtkörpern einer Art zweier Paare eine Einrichtung zur Zwangs-Synchronisierung (204, 204′) der Drehwinkel vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 4 bis 9, bei der die Drehbewegung der Teil-Unwuchtkörper eines Paares auf an ei­ ner Drehachse (214) angeordnete Bauteile übertragen ist und daß ein den Relativ-Stellwinkel β begrenzender Anschlag (213, 230) zwischen diesen Bauteilen hergestellt ist.

11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der Teil-Unwuchtkörper eines Paares auf einer gemeinsamen Achse (214) ko­ axial angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Stellmotoren teils als Motoren (407, 408) und teils als Generatoren 403, 404) arbeiten.

13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Stellmotoren zugleich Antriebsmotoren (103, 104; 107, 108) für die Umlauf- Drehbewegung der Teil-Unwuchtkörper sind.

14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Übertragung der Motoren-Drehmomente auf die Wellen der Teil-Un­ wuchtkörper durch Riementriebe bewirkt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Riementriebe als Keil­ riemen ausgeführt sind.

16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Stellmotoren bzw. Antriebsmotoren Wechselstrom-Motoren sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Wechselstrom-Motoren von der Stelleinrichtung mit Wechselstrom unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt sind.

18. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 15, bei der die Stellmotoren bzw. Antriebsmotoren erster Art und zweiter Art Drehstrom-Motoren sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) Beide Arten von Drehstrommotoren sind angeschlossen an zwei unterschiedliche Drehstrom-Systeme mit einer Kenngrößen-Differenz entwe­ der bezüglich der Kenngröße Drehfrequenz oder bezüglich der Kenngröße Winkellage des resultierenden Drehfeld-Vektors,
• b) wenigstens eines der Drehstrom-Systeme ist nicht mit dem netzmäßigen Drehstrom-System identisch und ist künstlich erzeugt durch ein Steuerungsteil,
• c) das Steuerungsteil zur Erzeugung des wenigstens einen künstli­ chen Drehstrom-Systems verfügt für jede Phase des Systems über einen Halbleiter-Strompfad-Schalter, durch dessen Puls-Ein-Ausschaltungen pro Zyklus eine vorbestimmte Energiemenge durch den Schalter geleitet wird, wobei die Durchleitung der Ströme für jede Phase in zyklischer Vertau­ schung erfolgt, bezogen auf die zeitlichen Maximalwerte der Energiemen­ gen,
• d) der Relativ-Stellwinkel β ist hergestellt durch die Erzeugung ei­ nes generatorischen Drehmomentes an einem der Drehstrommotoren durch Herbeiführung einer übersynchronen Betriebsweise, deren Zustand durch die Kenngrößen-Differenz bestimmt ist,
• e) die Kenngrößen-Differenz ist dabei die Summe einer ersten, zwi­ schen dem ersten Drehstrom-System und dem Rotor des antreibenden Mo­ tors meßbaren Teildifferenz und einer zweiten, zwischen dem Rotor des bremsenden Motors und dem zweiten Drehstrom-Systems meßbaren Teildif­ ferenz.

19. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Erzeugung des generatorischen Drehmomentes ausgekoppelte elek­ trische Leistung, bzw., daß die bei der Erzeugung des generatorischen Drehmomentes im Vergleich zum motorischen Betrieb rückwärts durch die Motor-Anschlußklemmen fließenden, drehmomentbestimmenden Wirkströme i* in ihrer Wirkgröße erfaßt sind und daß diese Wirkgröße steuerungstech­ nisch ausgewertet ist entweder zur Bestimmung der Ist-Größe des Rela­ tiv-Stellwinkels β oder zur Einstellung und/oder Konstanthaltung eines vorgegebenen Relativ-Stellwinkels β.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung und/oder Konstanthaltung eines vorgegebenen Re­ lativ-Stellwinkels β bei der steuerungsmäßigen Beeinflussung der Motoren die Gesetzmäßigkeit der Beziehung zwischen Wirkströmen i* und Relativ- Stellwinkel β, vorzugsweise gemäß der Beziehung "i* ist proportional zu sin β", mit verarbeitet ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß beide unterschiedliche Drehstrom-Systeme künstlich erzeugt sind durch den Einsatz je eines Steuerungsteils.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Strompfad-Schalter als Wechselrichter ausgebildet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder des Steuerungsteiles in ihrer Schaltungsweise durch einen Rechner gesteuert sind, und daß die Dreh­ frequenz der Motoren und der Relativ-Stellwinkel β zugleich verstellbar sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung und/oder Konstanthaltung des Relativ- Stellwinkels β durch einen Regelkreis bewirkt ist und daß der Regelalgo­ rithmus neben einem Proportional-Anteil auch über einen Integral-Anteil verfügt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsteile jeweils über einen, in Richtung des Orts-Netz-Anschlusses den Halbleiter-Strompfad-Schaltern vorgeschal­ teten, energiespeichernden Zwischenkreis verfügen, und daß die Zwischen­ kreise beider Steuerungsteile verbunden sind, derart, daß die generato­ risch ausgekoppelte Energie dem antreibenden Motor wieder zugeführt werden kann.

26. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Steuerungsteile Teil ei­ nes Frequenzumrichters ist, wobei das Leistungsteil des Frequenzumrich­ ters aus den Funktionsgruppen Wechselrichter, Zwischenkreis und Gleich­ richter besteht, und wobei der Gleichrichterteil an das Ortsnetz an­ schließbar ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schwingungserregungs-Vorrichtung Teil eines Rüttelti­ sches einer Formmaschine ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, bei der gleich­ artig durch die Stelleinrichtung beaufschlagte Motoren parallel geschaltet sind.

29. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der eine Verstellung des Relativ-Stellwinkels β nur im Bereich aufsteigender Werte für β bis kleiner oder gleich dem Wert β=90° vorgesehen ist.

30. Verfahren, unter Benutzung einer Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei einer infolge nicht ausreichend von außen zugeführten An­ triebsleistung absinkenden Drehzahl der Unwuchtkörper
• - während einer Betriebsweise zur Abgabe einer vom Relativ- Stellwinkel β abhängigen Nutzleistung
• - eine Reduzierung des Relativ-Stellwinkels β vorgenommen wird,
• - damit dadurch die Drehzahl und damit die drehzahlabhängige ge­ speicherte kinetische Energie und/oder die gespeicherte Energie eines Druckspeichers wieder erhöht wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Drehzahlerhöhung der Relativ-Stellwinkel β wieder erhöht wird, um vorübergehend eine Nutzleistung abzugeben, deren umgesetzte Energie teilweise aus der gespeicherten kinetischen Energie bezogen wird.

32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehzahlreduzierung und eine Drehzahlerhöhung in zyklischer Abfolge erfolgt.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekenn­ zeichnet, daß untere Drehzahlgrenzen und obere Drehzahlgrenzen vorgege­ ben sind, bei Erreichen welcher die Verstellung des Relativ-Stellwinkels β vorgenommen wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reduzierung des Relativ-Stellwinkels β bis zum Wert β=0° vorgenommen wird.

35. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 30 bis 34, bei der eine selbsttätige Steuerungseinrichtung vor­ gesehen ist, welche die Verstellvorgänge zur Verstellung des Relativ-Stell­ winkels β in Abhängigkeit von den vorgegebenen Drehzahlgrenzen oder/und von vorgegebenen Zeitintervallen durch Einwirkung auf die Stelleinrichtung vornimmt.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 29, bei der die Grenze für die Verstellung des Relativ-Stellwinkels β verstellbar ist durch die Verstellung eines Steuerorgans oder eines Anschlagorgans in einer Richtung parallel zu den Umlaufachsen der Unwuchtwellen.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der über die Stelleinrichtung den Stellmotoren ein für jeden Teil-Unwuchtkörper eines Paar gleich großes, jedoch von Paar zu Paar unterschiedliches Stell- Drehmoment MD eingeprägt ist, wodurch für jedes Paar ein unterschiedli­ cher Relativ- Stellwinkel eingestellt ist.

38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei für die Verstellung des Relativ-Stellwinkels β für jedes Paar eine den Winkel β begrenzende Einrichtung vorgesehen ist und wobei durch die Einwirkung der den Winkel β begrenzenden Einrichtung für jedes Paar ein unter­ schiedlicher Relativ-Stellwinkel β eingestellt ist.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei wahlweise zusätzlich gemäß den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 37 oder 38 für jedes Paar ein unterschiedlicher Relativ-Stellwinkel β einstellbar ist.