CH213932A - Mechanischer Schwinger mit Steuervorrichtung zur Begrenzung eines Parameters der Schwingung. - Google Patents

Description

Nechanischer Schwinger mit Steuervorrichtung zur Begrenzung eines Parameters der Schwingung.

Es ist bekannt, dass für Ermüdungs- maschinen in der Materialprùfung Resonanzschwinger angewendet werden. Diese werden vorzugsweise durch Elektronenröhren angetrieben, die vom mechanischen Schwingungs- system rückgesteuert sind, âhulich den aus der Niederfrequenztechnik bekannten Stimmgabelgeneratoren. Bei der Verwendung dieser Anordnung als Materialpriifmaschine ist dann in der Regel die mechanisch am star- sten beanspruchte Stelle als Priifstiick ausgebildet.

Wesentlich und entscheidend fiir die Verwendbarkeit dieser Schwinger als Prof- maschine ist dabei immer die Konstanthaltung und Regulierung der Amplitude oder der Maximalkraft. Letztere beiden GraBen sind durch die Federkonstante des elastischen Gliedes, also zum Beispiel der des Priiflings, miteinander verknüpft. Bleibt dièse Federkonstante iiber einen lângeren Zeitabschnitt konstant, so ist es gleichbedeutend, ob die Amplitude oder die Kraft konstant gehalten wird. Andert sich aber die Federkonstante im Laufe eines Versuches, was erfahrungs gemâB meistens vor dem Bruch der Probe auftritt, so ist zwischen konstanter Kraft und konstanter Amplitude zu unterscheiden.

Die Regelung der Amplitude oder der Kraft erfolgt allgemein in allen Fällen durch eine Regelung der Energiezufuhr. Am ein fachsten wird dies bisher dadurch erreicht, daB ein vom mechanischen Schwinger angetriebener elektrischer Generator eine der Amplitude mehr oder weniger proportionale Spannung erzeugt, welche im antreibenden Verstarber bei einer bestimmten Grole die Energiezufuhr begrenzt, so daB sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Grundsatz- lich erfolgt also bei dieser Methode die Begrenzung durch fortwahrend arbeitende elek trische Glieder. Die Konstanz der Amplitude oder Kraft wird also von der Ronstanz dieser Glieder abhängen. Ist zudem der Generator noch frequenzabhangig, so wird dies auch die Amplitude sein, was in den meisten Fâllen nicht erwiinscht ist. Diese Art der Leistungsbegrenzung durch eine elektrische Spannung ist ubrigens aus der Fadingkompensation der Radioempfanger hinlanglich bekannt.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun ein unter Anwendung von Elektronen rohren in seiner Eigenfrequenz angetriebener mechanischer Schwinger mit Steuervorrich- tung zur Begrenzung eines Parameters der Schwingung, zum Beispiel der Amplitude der Schwingung oder einer bei der Schwingung auftretenden Federkraft. Derselbe zeichnet sich dadurch aus, da6 erst dann, wenn dieser Parameter einen Grenzwert erreicht, die Steuervorrichtung elektrische Regulierimpulse erzeugt, die mindestens einer Elektrode einer der den Schwinger antreibenden Elektronen robre zugeführt werden, derart, daB dièse die Energiezufuhr zum mechanischen System begrenzen und so ein weiteres Anwachsen dieses Parameters verhindern. In der Zeich- nung sind beispielsweise Ausfiihrungsformen des erfindungsgemässen Sehwingers mit Steuervorrichtung dargestellt.

Die Fig. 1 bis 7 veransehauliehen in fiinf Schémas und zwei Diagrammen die Wirkungsweise von ftinf Ausfiihrungsformen mit Amplitudenbegrenzung. Fig. 1 zeigt einen Schwinger, gebildet durch eine Masse 1 und eine Biegefeder 2, welche an ihrem Ende 3 fest eingespannt ist. Diese Feder, oder auch nur Teile davon, werden bei der Anwendung der Apparatur zur Materialprüfung als Probekorper ausgebildet. Die Masse 1 wird durch den Elektromagneten 4 in Schwingungen versetzt, die durch Robre 5 riickgekop- pelt und aufrechterhalten werden. Die Riick- kopplung geschieht durch den Elektromagneten 6, in welchem durch die Schwingung eine Spannung induziert wird.

Die Steuervorrichtung fur die Amplitudenbegrenzung weist den feststehenden, mit einer Spule versehenen Pernamentmagneten 7 und den an der Masse 1 befestigten Polsehuh 8 auf ; ferner die Röhre 9 mit dem Widerstand 10 und den Kondensator 11, die mit der Antriebsröhre 5 in Verbindung stehen.

Die Wirkungsweise ist folgende : Schwingt Masse 1 derart, daB der Polschuh 8 den Luft- spalt des Magnetes 7 nicht ûberdeckt, so wird in dessen Spule, unter Vernachiassigung der Streuung, keine Spannung induziert. Der Wert der Streuung kann praktisch auf einen genügend kleinen Betrag gebracht werden, wenn nämlich der Luftspalt des Magnetes 7, sowie dessen Abstand gegenilber dem Polschuh 8, klein gemacht wird in bezug auf die Amplitude aO. Wird die Amplitude groBer als ao, so entsteht in der Steuerspulle von 7 eine steile Spannungsspitze. Die Leistungsreserve der Verstarkerrohre 5 sei nun so grogs, daB ohne Begrenzlmg die Masse 1 eine Amplitude annehmen wiirde, die gober als au tare ; wird nun jedoch dieser Wert erreicht, so entsteht in der Spule des Magnetes 7 eine Spanung, die um so groBer ist, je mehr der Polsehuh den Luftspalt von 7 iiberdeckt. Die so erzeugte Spannung wird der Gleichrichterröhre 9 zugeftihrt, welche an einem Widerstand 10 und einem Konden sator 11 eine Gleichspannung Ps erzeugt, die als Gittervorspannung fur die Verstärker- riihre 5 benutzt wird. Fig. 2 zeigt die Anode nstrom-Gitterspannungskennlinie dieser Robre, welche eine von der Gitterspannung abhangige Verstarkung aufweist. Steigt also zufolge zunehmender Amplitude die Spannung Us, so verkleinert sich der Verstarkungs- faktor und somit die an den Schwinger abgegebene Leistung. Bei vollständiger ftber- deckung des Luftspaltes ware die erzeugte Spannung 7, so groB, daB die Leistung der Röhre 5 fast gleieh Null wâre. Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Steuerspannung UF in Abhangigkeit der Amplitude a. Charak teristisch fur dièse Begrenzungsvorrichtung ist der Verlauf der Steuerspannungskurve O-A-B, welche bis zum Einsatzpunkte A auf der Abszisse verlauft, und dann von dieser steil ansteigt. Im Punkt B schneidet die Spannungskurve die Linie lTg, welche die zur Aufrechterhaltung einer Amplitude ao'not- wendige Gittervorspannung darstellt. Im Punkt B befindet sich also die Regulierung im Gleichgewicht. In der Figur ist das Kur- venstück AB iibertrieben flach eingezeich- net : in Wirklichkeit kann dasselbe bedeutend steiler verlaufen, ohne daB, wie Versuche gezeigt haben, eine Unstabilitat der Regulierung zu befiirchten wâre. Die Abszissenwerte der Punkte A und B fallen damit so nahe zusammen, dass praktiseh von einer absoluten Konstanz der Amplitude gesprochen werden kann (a'= ao). Schaltungstechnisch lassen sich mit den Mitteln, die die Röhrentechnik heute bietet, beliebig viele Varianten mit ein und derselben Steuervorrichtung herstellen.

Man kann Teile der Steuervorrichtung, zum Beispiel den Magneten 7, verstellbar gegen tuber der Mittellage des Schwingers anordnen.

Wird also Magnet 7 gegen die blittellage hin verstellt, so verkleinert sich die Amplitude, und umgekehrt. Die entsprechenden Regulier kurven sind in der Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet. Die Verschiebung des Magnetes bezw. allgemein von Teilen der Steuervorrichtung kann mit einer Messspindel erfolgen, womit durch die Verschiebung gleichzeitig ein Mat3 fiir die Grole der eingestellten SIaximalamplitude erhalten wird.

Fig. 4 zeigt einen Schwinger, bei dem das Steuersystem mit Kontakten arbeitet. Der an der Masse 12 angebrachte Kontakt 13 beriihrt bei Amplitude ao die verstellbare Kontaktschraube 14. Dadurch wird die am Kondensator 17 liegende Spannung, also die Anodenspannung der Verstärkerröhre 18, durch den Widerstand 15 iiberbriickt, was einen Span nungsabfall an Widerstand 16 hervorruft.

Mit steigender Amplitude sinkt also die Anodenspannung der Robre 18 und somit die Ausgangsleistung, die fiir den Antrieb des mechanischen Schwingers verwendet wird ; das heiBt es wird sich eine konstante Amplitude einstellen, deren Grole nur unwesentlich tuber dem Wert ao liegt. Antriebs-und Rûokkopplungsspule fiir den Schwinger sind an den freien Klemmen anzuschlieBen. Sie sind ebenso wie andere, zum Beispiel gemäss Fig. 1 ausgebildeter Einrichtungen in Fig. 4, wie auch in den folgenden, nicht eingezeich- net.

Fig. 5 veranschaulicht einen Schwinger mit einer elektrostatischen Steuervorrichtung.

Die Masse 19 betätigt bei der Schwingweite ao die in Drehpunkt 20 gelagerte Platte 21.

Diese stiitzt sich in ihrer Ruhelage auf Di- elektrikum 22 ab und bildet mit der festen Platte 23 einen Wondensator. Ein Anwachsen der Amplitude tuber au bedingt also eine Ka- pazitats-bezw. Spannungsanderung am Git- ter der Verstarkerrohre 24. Durch weitere, nicht eingezeichnete Schaltelemente werden die von der Robre 24 verstarkten Impulse in beschriebener Weise für die Regulierung der Amplitude herangezogen.

Fig. 6 zeigt einen Schwinger mit einer piezoelektrischen Steuervorrichtung. Die WEasse 25 trägt eine Flachfeder 26, welche bei der zu begrenzenden Amplitude ao auf den Piezokristall 27 um so mehr drückt, je mehr die Amplitude tuber au steigt. Der Kristall seinerseits erzeugt eine um so höhere Spannung, je gober die auf ihn wirkende Druckkraft ist. Die so erzeugten elektrischen Spannungen werden in Verbindung mit Rohre 28 und weiteren nicht gezeichneten Gliedern fur die Amplitudenregulierung be nützt.

Fig. 7 zeigt einen Schwinger. bei dem die Steuervorrichtung mit einer Photozelle arbeitet. Die Masse 29 tragt eine Spaltblende 30, die durch Lampe 31 und Tjinse 32 beleuchtet wird. Eine feststehende Blende 33 wird mit telst der Linse 34 auf die Photozelle 35 ab gebildet. Sobald die Amplitude der Masse 29 den Wert a,, erreicht, so decken sich die op tischen Achsen beider Linsensysteme und die Photozelle erhâlt durch das optische System Lichteindrücke, die bei der Schwingweite ao beginnend, mit wachsender Amplitude zu- nehmen. Die Photozelle 35 erzeugt dabei den Lichteindrûoken mehr oder weniger proportionale Spannungen, die auf das Gitter der Rohre 36 wirken und so die Amplituden regulierung einleiten. Diese Anordnung hat den groBen Vorteil, dass auf den Schwinger durch die Steuervorrichtung keinerlei zusatzliche Krafte wirken ; die Steuerung kann also als vollkommen leistungslos angesprochen werden.

Fig. 8 zeigt einen Schwinger mit einer Steuervorrichtung, die gestattet, die Maximalkraft einer Feder konstant zu halten. Eine Masse 37 fûhrt zusammen mit Feder 38 Zugund Druckschwingungen aus. Feder 38 oder aber Teile davon bilden zum Beispiel den Priifling, im Falle daB der Schwinger zur Ermüdungsprüfung Anwendung findet. Die Schwingungen werden durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Verstarker erzeugt. Die Steuervorrichtung fur die Federkraftbegrenzung wird durch die Teile 39-44 gebildet. Das obere Ende der Feder 38 tragt den Polschuh 39 und wird durch die MeBfeder 40 auf den feststehenden, mit einer Spule versehenen Permanentmagneten 41 ge- spannt. Die Spannung der Feder 40 kann mittelst der Spindel 42 und der Mutter 43, welche sich wiederum auf eine feste Unter lage abstutzt, geandert werden. Die Zugkraft der Feder 40 kann am MaBstab 44 unmittelbar abgelesen werden. berschreitet nun der Momentanwert der Zugkraft der schwingenden Feder 38 die Grole der sta- tischen Vorspannung von Feder 40, so wird der Polschuh 39 kurzzeitig um einen sehr kleinen Betrag vom Magneten 40 abgehoben, dessen Anziehungskraft im Vergleich zum Gewicht der Masse 37 und zu der maximal auftretenden Trägheitskraft vernaehliissigbar ist. Dadurch wird in dessen Spule eine Spannungsspitze induziert, die zur Steuerung einer Elektronenröhre benutzt wird. Praktisch entsteht ein Dauerzustand, indem die Vorspannung der Feder 40 der Maximalkraft der Feder 38 (= Gewicht der Masse 37 + maximale Trägheitskraft) das Gleichgewicht hait. Es wird also mit dieser Vorrichtung direkt eine bestimmte Maximalkraft der schwingenden Feder 38 begrenzt, unabhangig von der Amplitude derselben, also auch unab- hangig von etwaigen Anderungen der elastischen Eigenschaften der Feder, die sich wahrend dem Betrieb einstellen konnen. Die Grole der eingestellten Maximalkraft kann mittelst der statisch geeichten Feder 40 am MaBstab 44 abgelesen werden. AuBerdem hat man die Mëglichkeit, wahrend arbeitendem Schwinger die Kraft durch mehr oder weniger starkes Spannen der Feder 40 stetig zu andern.

Zu diesem Schwinger, mit statisch vorgespannter Feder, kann an Stelle der beschriebenen elektromagnetischen Steuervorrichtung auch eine Steuervorrichtung mit einer Kon taktanordnung oder eine elektromagnetische, eine piezoelektrische oder eine photoelektrische Steuervorrichtung verwendet werden.

Fig. 9 und 10 zeigen in einer Längsansicht und einem SeitenriB eine weitere Ausfiih- rungsform eines Schwingers mit einer elektromagnetischen Steuervorrichtung fur Am plitudenbegrenzung. Die Vorrichtung ist an einem Torsionsschwingungserzeuger ange hracht ; ein elastischer Stab 45, an seinem einen Ende fest eingespannt, wird durch die Masse 46 schwingend tordiert. Der Polschuh 47 ùberdeckt bei der zu begrenzenden Amplitude den im Verhâltnis zu dieser schmalen Luftspalt 48 des Magnetes 49. Durch die in diesem entstehende Anderung des magnetischen Flusses wird in der Spule des Magnetes, welcher ein Dauermagnet sei, eine Spannung induziert, die in Elektronenröhren verstarkt, zur Amplitudenbegrenzung benùtzt wird.

PATENTANSPRUCH : Un ter Anwendung von Elektronenrohren in seiner Eigenfrequenz angetriebener mechanischer Schwinger mit Steuervorrichtung zur Begrenzung eines Parameters der Schwin gung, dadurch gekennzeichnet, daB erst dann, wenn dieser Parameter einen Grenzwert erreicht, die Steuervorrichtung elektrische Re gulierimpulse erzeugt, die mindestens einer Elektrode von mindestens einer der den Schwinger antreibenden Elektronenrohren zugefûhrt werden, derart, daB dièse die Ener giezufuhr zum mechanischen System begrenzen und so ein weiteres Anwachsen dieses Parameters verhindern.

UNTERANSPRCCHE : 1. Schwinger gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, daB der zu begren

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (15)

1. ATTENTION* debut du champ CLMS peut contenir fin de DESC *.

   Fig. 8 zeigt einen Schwinger mit einer Steuervorrichtung, die gestattet, die Maximalkraft einer Feder konstant zu halten. Eine Masse 37 fûhrt zusammen mit Feder 38 Zugund Druckschwingungen aus. Feder 38 oder aber Teile davon bilden zum Beispiel den Priifling, im Falle daB der Schwinger zur Ermüdungsprüfung Anwendung findet. Die Schwingungen werden durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Verstarker erzeugt. Die Steuervorrichtung fur die Federkraftbegrenzung wird durch die Teile 39-44 gebildet. Das obere Ende der Feder 38 tragt den Polschuh 39 und wird durch die MeBfeder 40 auf den feststehenden, mit einer Spule versehenen Permanentmagneten 41 ge- spannt. Die Spannung der Feder 40 kann mittelst der Spindel 42 und der Mutter 43, welche sich wiederum auf eine feste Unter lage abstutzt, geandert werden. Die Zugkraft der Feder 40 kann am MaBstab 44 unmittelbar abgelesen werden. berschreitet nun der Momentanwert der Zugkraft der schwingenden Feder 38 die Grole der sta- tischen Vorspannung von Feder 40, so wird der Polschuh 39 kurzzeitig um einen sehr kleinen Betrag vom Magneten 40 abgehoben, dessen Anziehungskraft im Vergleich zum Gewicht der Masse 37 und zu der maximal auftretenden Trägheitskraft vernaehliissigbar ist. Dadurch wird in dessen Spule eine Spannungsspitze induziert, die zur Steuerung einer Elektronenröhre benutzt wird. Praktisch entsteht ein Dauerzustand, indem die Vorspannung der Feder 40 der Maximalkraft der Feder 38 (= Gewicht der Masse 37 + maximale Trägheitskraft) das Gleichgewicht hait. Es wird also mit dieser Vorrichtung direkt eine bestimmte Maximalkraft der schwingenden Feder 38 begrenzt, unabhangig von der Amplitude derselben, also auch unab- hangig von etwaigen Anderungen der elastischen Eigenschaften der Feder, die sich wahrend dem Betrieb einstellen konnen. Die Grole der eingestellten Maximalkraft kann mittelst der statisch geeichten Feder 40 am MaBstab 44 abgelesen werden. AuBerdem hat man die Mëglichkeit, wahrend arbeitendem Schwinger die Kraft durch mehr oder weniger starkes Spannen der Feder 40 stetig zu andern.

   Zu diesem Schwinger, mit statisch vorgespannter Feder, kann an Stelle der beschriebenen elektromagnetischen Steuervorrichtung auch eine Steuervorrichtung mit einer Kon taktanordnung oder eine elektromagnetische, eine piezoelektrische oder eine photoelektrische Steuervorrichtung verwendet werden.

   Fig. 9 und 10 zeigen in einer Längsansicht und einem SeitenriB eine weitere Ausfiih- rungsform eines Schwingers mit einer elektromagnetischen Steuervorrichtung fur Am plitudenbegrenzung. Die Vorrichtung ist an einem Torsionsschwingungserzeuger ange hracht ; ein elastischer Stab 45, an seinem einen Ende fest eingespannt, wird durch die Masse 46 schwingend tordiert. Der Polschuh 47 ùberdeckt bei der zu begrenzenden Amplitude den im Verhâltnis zu dieser schmalen Luftspalt 48 des Magnetes 49. Durch die in diesem entstehende Anderung des magnetischen Flusses wird in der Spule des Magnetes, welcher ein Dauermagnet sei, eine Spannung induziert, die in Elektronenröhren verstarkt, zur Amplitudenbegrenzung benùtzt wird.

   PATENTANSPRUCH : Un ter Anwendung von Elektronenrohren in seiner Eigenfrequenz angetriebener mechanischer Schwinger mit Steuervorrichtung zur Begrenzung eines Parameters der Schwin gung, dadurch gekennzeichnet, daB erst dann, wenn dieser Parameter einen Grenzwert erreicht, die Steuervorrichtung elektrische Re gulierimpulse erzeugt, die mindestens einer Elektrode von mindestens einer der den Schwinger antreibenden Elektronenrohren zugefûhrt werden, derart, daB dièse die Ener giezufuhr zum mechanischen System begrenzen und so ein weiteres Anwachsen dieses Parameters verhindern.

   UNTERANSPRCCHE : 1. Schwinger gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, daB der zu begren zende Parameter die Amplitude der Schwingung ist.
2. 2. Schwinger gemaB Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dal3 die Regulierimpulse mittelst einer elektromagnetischen Steuervorrichtung erzeugt werden.
3. 3. Schwinger gemäss Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Regulierimpulse mittelst einer durch eine Kontaktanordnung gebildeten Steuervorrichtung erzeugt werden.
4. 4. Schwinger gemiib Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dal3 die Regulierimpulse mittelst einer elektrostatischen Steuervorrichtung erzeugt werden.
5. 5. Schwinger gemäss Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierimpulse durch eine piezoelektrische Steuer vorriehtung erzeugt werden.
6. 6. Schwinger gemaB Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Regulierimpulse durch eine photoelektrische Steuer vorrichtung erzeugt werden.
7. 7. Schwinger gemäss Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Steuervorrichtung gleichzeitig zur Einstellung und zur Messung der eingestellten Maximalamplitude beniitzt wird.
8. 8. Schwinger gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, daB der zu begrenzende Parameter eine bei der Schwingung auftretende Federkraft ist.
9. 9. Schwinger gema, B Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, da, Regulierimpulse mittelst einer elektromagnetischen Steuervorrichtung erzeugt werden.
10. 10. Schwinger gemäss Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, da. die Regulierimpulse mittelst einer durch eine Wontakt- anordnung gebildeten Steuervorrichtung erzeugt werden.
11. 11. Schwinger gemaB Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daB die Regulierimpulse mittelst einer elektrostatischen Steuervorrichtung erzeugt werden.
12. 12. Schwinger gemaB Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daB die Regulierimpulse durch eine piezoelektrische Steuer vorrichtung erzeugt werden.
13. 13. Schwinger gemaË Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daB die Regulierimpulse durch eine photoelektrische Steuer vorrichtung erzeugt werden.
14. 14. Schwinger gemma. Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daB die Steuervorrichtung von einer statisch vorgespannten, eichbaren Feder beeinfluBt wird, deren Vorspannung der Maximalkraft der schwingenden Feder das Gleichgewicht halt.
15. 15. Schwinger gemma. Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daB die Steuervorrichtung gleichzeitig zur Einstellung und zur Messung der eingestellten Maximalkraft be niitzt wird.