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Vorrichtung zur mechanischen Schwingungsprüfung
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entnommene, sinusförmige Wechselspannung von einstellbarer Frequenz zugeführt wird. Durch Andrücken des Tastgliedes an den zu prüfenden Gegenstand kann die Bewegung des Tastgliedes auf den Gegenstand übertragen und auf diese Weise z. B. ermittelt werden, welche die Eigenfrequenzen des zu prüfenden Gegenstandes sind.
Im nachfolgenden ist der grösseren Einfachheit halber häufig nur von einem"Schwingungsaufhehmer"die Rede ; die nachfolgende !- Er- wägungen gelten jedoch in analoger Weise auch für einen"Schwingungsgeber".
Bei einigen der bekannten Schwingungsaufnehmer ist das in seiner Längsrichtung bewegliche, stabförmige Tastglied in Gleitlagern gefasst zur Verhütung eines, die vorzunehmenden Messungen im allgemeinen störend beeinflussenden, zeitlichen Ausweichens des Tastgliedes.
Ferner ist ein Schwingungsaufnehmer bekannt, bei dem das Tastglied mittels zweier Membranen zentriert ist, die in Normalebenen zur Längsrichtung des Tastgliedes liegen (s. Dissertation von 0. Honmeister, Jänner 1938, "SchwingungsmessgerÅate'').
Die Erfindung bezweckt eine verbesserte Art der Zentrierung des Tastgliedes bei Schwingungsaufnehmern oder Schwingungsgebern der be- schriebenen Gattung.
Erfindungsgemäss ist das Tastglied vermittels einer oder mehrerer Federn mit einer solchen nichtlinearen Federkennlinie zentriert, dass die bei der Prüfung auftretende, mittlere Längenveränderung der Feder einem Punkt (Arbeits- punkt) der Federkennlinie entspricht, der auf einem Teil derselben mit geringerer Steilheit
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verstanden, die den Zusammenhang zwischen der Längenveränderung der Feder (Abszisse) und der diese bewirkende Kraft bzw. der gleich grossen Federspannung (Ordinate) darstellt.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Erwägungen sowie die durch Anwendung der Erfindung erzielten Vorteile sind die folgenden :
Die Schwingungsaufnehmer der vorliegenden Art bestehen im wesentlichen aus einer Feder,
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von der das eine Ende mit dem Tastgliede, das andere Ende mit einer zumindest nahezu stillstehenden, gewöhnlich aus der Hülle des Tastgliedes gemeinsam mit den in ihr angebrachten Hilfsgliedem bestehenden Masse verbunden ist. Die Messgrösse wird der Bewegung des Tastgliedes gegen die letztgenannte Masse entnommen, wobei zu berücksichtigen ist, dass sich ein richtiges Bild der zu prüfenden Schwingungen nur ergibt, wenn einerseits das Tastglied den Bewegungen des zu prüfenden Gegenstandes genau folgt und anderseits die genannte Masse sich nicht bewegt.
Beim System Tastglied-Federmasse soll also verhindert werden, dass die Masse infolge der mit den zu prüfenden Schwingungen schwankenden Federspannung in Schwingung gerät. Dies kann bekanntlich durch Verwendung einer Feder mit geringer Steifigkeit (Steilheit der Federkennlinie gering) und grosser Masse erzielt werden, so dass die Eigenfrequenz des Systems Feder-Masse geringer, bis sogar beispielsweise vier-bis fünfmal kleiner als die niedrigste in den zu prüfenden Schwingungen auftretende Frequenz ist.
Es wird in diesem Falle, sogar wenn der Schwingungsaufnehmer ausschliesslich mit der Hand gehalten wird, die genannte Masse stets praktisch in Ruhe sein.
Wenn das Tastglied, wie im vorstehenden erwähnt, in Gleitlagern gefasst ist, entsteht infolge der in den Lagern auftretenden Reibungskräfte eine weitere Bewegungsursache für die in Ruhe zu erhaltende Masse. Die infolgedessen auftretenden Bewegungen dieser Masse sind vernachlässigbar, wenn die auf das Tastglied ausgeübten Kräfte in einer zur Längsrichtung des Tastgliedes senkrechten Richtung sehr gering sind. In der Praxis jedoch ist dies häufig nicht der Fall und diese Kräfte sind, besonders bei
Schwingungsgebern, verhältnismässig gross, um so mehr, als das Tastglied mit Rücksicht auf das Befolgen grosser Beschleunigungen des zu prüfenden Gegenstandes mit verhältnismässig grosser Vorspannungskraft an den zu prüfenden
Gegenstand angedrückt werden muss.
Die in diesem Falle auftretenden Bewegungen der Masse geben naturgemäss zu ungenauen Messergebnissen
Veranlassung.
Durch Zentrierung des Tastgliedes mittels
Membranen wird dieser durch Lagerreibungs- kräfte herbeigeführte Nachteil vermieden, aber die Membranen führen eine unerwünschte Er- höhung der vorstehend erwähnten Eigenfrequenz herbei, da nun im System Tastglied-Feder-
Masse das Tastglied und die Masse nicht durch die Vorspannungsfeder, sondern auch durch die Membranen nachgiebig miteinander ver- bunden sind und die Eigenfrequenz des Systems
Feder-Masse somit von der gesamten Steifigkeit der Vorspannungsfeder und der Membranen abhängig ist.
Dadurch, dass erfindungsgemäss die Zentrierung des Tastgliedes mittels Federn mit passend gewählter nichtlinearer Kennlinie bewerkstelligt wird, wird eine unerwünschte Erhöhung der Eigenfrequenz beschränkt bzw. vermieden, da nunmehr dafür Sorge getragen werden kann, dass die gesamte Steifigkeit der Vorspannungfeder und der Zentrierungsfedern wenig grösser ist als die der Vorspannungsfeder selbst oder ihr praktisch entspricht.
Letzteres wird erzielt, wenn der Arbeitspunkt der Zentrierungsfedern auf einem zumindest nahezu waagrecht verlaufenden Teil der Kennlinie dieser Zentrierungsfeder liegt.
Liegt der Arbeitspunkt der Zentrierungsfedern auf einem Teil der Kennlinie mit negativer Steilheit, so ist sogar die Eigenfrequenz geringer als die des Systems Vorspannungsfeder-Masse an sich.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Einrichtung derart getroffen wird, dass die Zentrierungsfedern auch die Funktion der Vorspannungsfeder erfüllen, so dass sich die übliche Vorspannungsfeder erübrigt.
Es ist hiezu zu bemerken, dass es bei einem Schwingungsaufnehmer zur Erzielung einer grossen Vorspannung bei geringer Steifigkeit der Feder und geringer Federlänge an sich bekannt ist, als Vorspannungsfeder eine Feder mit einer solchen nichtlinearen Kennlinie zu benutzen, dass der Arbeitspunkt auf einen fast waagrechten Teil der Kennlinie liegt (s."Electrical
Engineering", Juni 1937, S. 706-710).
Die Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine vorteil- hafte Ausführungsform eines Schwingungsauf- nehmers nach der Erfindung im Längs-bzw.
Querschnitt. Fig. 3 stellt eine in der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 verwendete, gleichzeitig als Vorspannungsfeder dienende
Zentrierungsfeder in unbelastetem Zustand dar, und Fig. 4 zeigt die Kennlinie der Feder nach
Fig. 3.
Der in Fig. 1 dargestellte mechanisch-elektrische Schwingungsaufhehmer besitzt eine zylindrische Hülle 1, in der ein stabförmiges, in seiner Längsrichtung bewegliches Tastglied 2 federnd angeordnet ist. Das Tastglied ist an einem Ende mit einer Spitze 3 versehen, die an einen schematisch dargestellten Gegenstand 4 angedrückt ist, der die zu prüfenden Schwingungen aufweist. Am anderen Ende des Tastgliedes ist eine Spulenbuchse 5 mit einer kleinen Spule 6 befestigt. Die Spule 6 ist im Luftschlitz eines magnetischen Kreises angeordnet, der von einem ringförmigen Polschuh 7, dem mittleren Teil der Hülle 1, einer durchbohrten Scheibe 8, einem sehr kräftigen Dauermagneten 9 und einem sich teilweise im Innern der Spule 6 erstreckenden Polstück 10 gebildet wird.
Der
Schlag des Tastgliedes wird durch eine einen Teil desselben bildende Scheibe 11 und zwei beiderseits dieser Scheibe angeordneten, in der Hülle 1 angebrachten Anschlagscheiben 12
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bzw. 13 begtenzt, so dass Beschädigungen des Spulensystems infolge zu grosser Axialverschiebung des Tastgliedes verhindert werden.
Damit auf die Spitze 3 ausgeübte Kräfte mit einer zur Längsrichtung des Tastgliedes senkrechten Komponente kein seitliches Ausweichen der Spule 6 herbeiführen, wodurch sich die Empfindlichkeit des Schwingungsaufnehmers ändern und auch Beschädigungen des Spulensystems eintreten könnten, besteht das Tastglied aus zwei gelenkig miteinander verbundenen Teilen 14 und 15. Der rechte Teil 14 des Tastgliedes ist an dem von der Spitze 3 abgewendeten Ende kugelförmig und mit einer zentralen Bohrung versehen. Das kugelförmige Ende ruht in einer kegelförmigen Aushöhlung des Teiles 15 und dieses Ende ist auch mit einer teilweise grösseren zentralen Bohrung versehen ; in der ein Stahldraht 16 angeordnet ist, der auch in die entsprechende Bohrung des Teiles 14 reicht.
Es ist gefunden worden, dass die so ausgebildete, gelenkige Verbindung seitliche Bewegungen des Spulensystems verhindert und keine störende Resonanz des Tastgliedes selbst hervorruft.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Tastglied nach der Erfindung mittels dreier Tellerfedern 17 mit nichtlinearer Federkennlinie in der Hülle 1 zentriert und diese Federn erfüllen gemeinsam auch die Funktion einer Vorspannungsfeder. Der linke Teil 15 des
Tastgliedes ist durch an den beiden Enden befestigte Federn zentriert, während der rechte
Teil 14 des Tastgliedes durch eine zwischen seinen Enden befestigte Feder zentriert ist.
Da die Federn grösstenteils zu den mit dem
Tastglied mitschwingenden Teilen zu rechnen sind und die schwingende Masse der Schwingungs- aufnehmer im Hinblick auf die Befolgung grosser
Beschleunigungen tunlichst klein sein soll, ist es erwünscht, die Federn möglichst leicht aus- zubilden. Mit Rücksicht darauf weisen die verwendeten Federn, wie dies Fig. 3 und der
Querschnitt nach Fig. 2 deutlich zeigen, eine regelmässige Sternform mit drei Armen auf, so dass sich nebst Mindestgewicht eine gute zentrierende Wirkung ergibt. Das Tastglied ist in je einer kreisförmigen Aussparung im mittleren Teil der aus einer einzigen Platte hergestellten Feder befestigt und die freien
Enden der Arme sind abgebogen und an die
Innenwand eines zylindrischen Ringes 18 ge- nietet, dessen Achse mit der Achse des Tast- gliedes übereinstimmt.
In Fig. 4 ist die Kennlinie C einer der ver- wendeten Zentrierungsfedern dargestellt. Wie aus ihr ersichtlich ist, ist die Kurve C, welche die Beziehung zwischen der Zusammendrückung oder Längenveränderung s (Abszisse) der Feder und der dabei auftretenden Federspannung P (Ordinate) für den elastischen Bereich dar- gestellt, von nichtlinearer Art. Die Kurve weist einen den Ursprung schneidenden, ver- hältnismässig steil sich erstreckenden Teil, wobei der Ursprung dem unbelasteten Zustand (Fig. 3) der Feder entspricht, und einen nahezu waagrecht verlaufenden Teil auf.
Die Kurve ist derart, dass bei der in Fig. 1 dargestellten mittleren Lage des Tastgliedes die Längenveränderung der Feder der Grösse Sv entspricht, entsprechend dem auf dem nahezu waagrechten Teil der Kennlinie liegenden Arbeitspunkt A, wobei ein im Hinblick auf die Befolgung grosser Beschleunigung vorteilhafter Wert der Vorspannung P, der Feder auftritt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist die Feder, trotz der grossen Vorspannung, im Falle der Einstellung auf den Arbeitspunkt A nur eine geringe Steifigkeit auf, da kleine Veränderungen AP der Federspannung verhältnismässig grossen Ver- änderungen As der Federlänge entsprechen, so dass eine geringe Eigenfrequenz des Schwingungsaufnehmers erzielbar ist.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die als Schwingungsaufnehmer dargestellte und beschriebene Ausführungsform ohne weiteres als Schwingungsgeber benutzt werden kann, wobei die vorstehend erwähnten Vorteile sinngemäss auch erzielt werden.
Da jedoch bei der Verwendung der dargestellten Vorrichtung als Schwingungsaufnehmer die ihr entnommene elektrische Leistung nur sehr gering (z. B. 0-1 Watt) zu sein braucht, während die einem Schwingungsgeber zu ent- nehmende mechanische Leistung häufig wesent- lich grösser sein soll, muss die als Schwingungs- geber zu benutzende Vorrichtung entsprechend grösser als die als Schwingungsaufnehmer zu benutzende Vorrichtung gestaltet werden.
Es ist selbstverständlich für die Erfindung nicht wesentlich, dass bei der Verwendung mehrerer Zentrierungsfedern diese alle die gleiche
Federkennlinie aufweisen. Unter Umständen kann es zur Erzielung einer grossen Federvor- spannung bei besonders geringer Eigenfrequenz in mechanischer Hinsicht erwünscht sein, Zentrierungsfedem mit voneinander verschiedenen
Kennlinien zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur mechanischen Schwingungs- prüfung mit einem entgegen der Wirkung einer
Vorspannungsfeder an den zu prüfenden Gegen- stand anzudrückenden Tastgliede, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Tastglied mittels einer oder mehrerer Federn mit solcher nichtlinearer
Federkennlinie zentriert ist, dass die bei der
Prüfung auftretende mittlere Längenveränderung der Feder einem Punkt (Arbeitspunkt) der
Federkennlinie entspricht, der auf einem Teil derselben mit geringerer Steilheit als die Anfangs- steilheit der Federkennlinie liegt.