Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Dämpfung von schwingender Beanspruchung unterworfenen Prüfkörpern.
Die Dämpfung von Probestäben und Kon struktionsteilen lässt sich aus der Leistungs- aufnahme einer Sehwingungsprüfmaschine be kanntlieh nur selten exakt ermitteln. Als ver lässliehes Messprinzip hat sich bisher die Aufzeichnung des Spannungs-Dehnungsdiagrammes erwiesen, beispielsweise durch Anwen dung optischer Messmittel bei der Hysteresis maselline naeh Dr. Lehr.
Die Diagrammaufzeichnung auf mecha- niseh-optiseher Grundlage erfordert jedoch einen verhältnismässig hohen Konstruktionsanfwand und Einhaltung scharfer Genauig keitsforderungen.
Bei den meisten Werkstoffen und Bauteilen, für die die Dämpfungsmessung von praktisehem Interesse ist, wird eine sinusförmige dvnamische Prüfkraft angewendet, und die resultierende Verformung verläuft in hinrei ehender Annäherung ebenfalls sinusförmig.
Gleiehes gilt in reziproker Zuordnung für Maschinen, die mit Zwangsverformung arbeiten. Infolgedessen lässt sich die Dämpfungs- arbeit nicht nur graphisch aus dem Flächen- inhalt des Kraftverformungsdiagrammes ermitteln, sondern auch rechnerisch aus dem Phasenwinkel zwisehen der Wechselkraft und der Wechselverformung.
Die bisherigen Versuche, den Phasenwinkel zwischen Weehselkraft und Wechselverformung mit Hilfe eines Wattmeters zu messen, führten nicht zum Ziel, weil die Leistungs- abgabe, die bei der direkten Wattmetermessung von den mechanisch-elektrischen Wandlern gefordert werden musste, zu gross war. Es wurde deshalb vorgeschlagen, Schwinggleich- richter zu verwenden, wobei von den erzeugten beiden elektrischen Wechselspannungen die mit der grösseren Leistung für die Erregung des Schwinggleichrichters benutzt wurde. Man hat dabei aber übersehen, dass die Phasenmessungen mit Hilfe von Schwinggleiehrich- tern gefälscht werden, sobald in der Messspannung höhere, ungerade Harmonische vorkommen.
Da die zu messenden Phasenwinkel in der Grössenordnung von 1/2 bis 1 liegen, dürfen die beim Schwinggleichrichter sich einschlei chenden Fehler nicht vernachlässigt werden.
Gegenstand der Erfindung bildet ein feh lerfreies Verfahren und eine Einrichtung zur genauen Ermittlung dieses Phasenwinkels zwecks Bestimmung der Dämpfung bei Schwingungsprüfmaschinen.
Das neue Verfahren nach der Erfindung zur Bestimmung der Dämpfung von schwin- gender Beanspruchung unterworfenen Prüf- körpern an Schwingungsprüfmaschinen ist dadurch gekennzeichnet, dass Wechselverfor- mung und Wechselkraft von mechanisch-elek- trischen Wandlern in Wechselspannungen von gleicher Grössenordnung überführt und nacheinander der einen Spule eines Wattmeters zugeleitet werden, dessen andere Spule eine der Wechselverformung synchrone, sinusför- mige Hilfsspannung von einstellbarer Phasenlage erhält, wobei zuerst beim Anlegen der der Wechselverformung entsprechenden Spannung die Phase des Hilfsstromes auf Nullaussehlag des Wattmeters eingestellt wird,
hierauf die der Weehselkraft entspreehende Spannung an das Wattmeter angelegt und der Augenbliekswert der Wechselkraft bei der Verformung Null und nach Phasenversehie- bung der Hilfsspannung um 90 der Maximalwert der Weehselkraft festgestellt wird.
Bei dem neuen Verfahren wird von den meehaniseh-elektrisehen Wandlern für die Weehselverformung und die Weehselkraft nur eine äusserst geringe Leistung gefordert, denn die für den Betrieb des Wattmeters, das heisst die Erregung seines Feldes benötigte Leistung wird einer Hilfsstromquelle entnommen. Das Wattmeter sorgt durch seine Eigenschaft, Harmonische zu analysieren, dafür, dass aus dem Spannungsverlauf für die Weehselverformung und die Weehselkraft alle Oberwellen eliminiert und als Folge davon der Phasenwinkel zwischen den Grundsehwingungen fehlerfrei gemessen wird.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durehführung des Verfahrens ist gekennzeiehnet durch die Anordnung meehaniseh-elektri- seher Wandler am Dynamometer sowie an den beiden Prüfkörpereinspannungsköpfen der Sehwingungsprüfmasehine und eines phaseneinstellbaren, mit Prüffrequenz umlaufenden Weehselstromgebers.
Es ist vorteilhaft, ein Wattmeter anzuwen- den, das zwecks Vermeidung zusätzlicher elek tricher Verstärker auf Mikro-Ampere anspricht und in seiner Empfindlichkeit regelbar ist.
Der Weehselstromgeber kann so eingerichtet sein, dass er zwei um 90 phasenversehobene Weehselströme synehron mit der Prüffrequenz abgibt und in seiner Winkelstellung einstellbar ist, beispielsweise durch Verdrehen seines Stators oder Zwischenschaltung eines Differentialgetriebes in die Antriebswelle des Phasengebers. Die Messung des Phasenwinkels zwischen Weehselkraft und Weehselverfor- mung wird in folgender Weise durehgeführt :
Zunäehst wird die der Weehselverformung proportionale Wechselspannung, herrührend von der Sehwingdifferenz der Prüfkörper- enden, an die Drehspule des Wattmeters angelegt.
Die Phasenlage der Weehselspannung des zum Beispiel mit dem Erreger der Prüf- machine gekoppelten Wechselstromgebers, der einen oder zwei um 90 phasenverschobene Weehselströme syneliron zur Prüffre- quenz abgibt und in seiner Winkelstellung einstellbar ist, wird so lange verändert, bis die Anzeige an dem hoehempfindliehen Wattmeter genau auf Null steht, wenn die verfor- mungsentspreehende Spannung angelegt ist.
Alsdann wird die Weehselspannung der mit dem Dynamometer verbundenen und auf die Wechselkraft anspreehenden Tauchspule an die Drehspule des Wattmeters gelegt, also an Stelle der verformungsentspreehenden Spannung. Der nunmehr auftretende Ausschlag, auf der die folgenden Zusammenhänge verdeutliehenden Zeiehnung mit so bezeichnet, wird gemessen und danaeh die Phasenlage des Geber-Weehselstromes um 90 weitergedreht oder ein um 90 versehobener Strom auf die Feldspule des Wattmeters gesehaltet. Nunmehr wird der sieh ergebende maximale Aus- schlag Sgo gemessen, der etwa mit dem maximalen Ausschlag s", a, übereinstimmt.
Für die Koordinaten e und s eines Punktes auf der einer Ellipse angenäherten Hysteresissehleife gilt : e = e. sin o s = Smax . sin (?t + ?). Daraus wird f r t=0 : so s"", sin eo = 0, das heisst für den Zeitpunkt, zu dem e = 0 ist (Anzeige am Wa. ttmeter = 0), gilt sin ? = S0/Smax, wobei S0 gleich der Anzeige f r t = 0 (e = 0) und Smax gleich der maxi- malen Anzeige für s ist. Bei grösseren Win- keln wird die maximale Anzeige nieht zur Zeit t = (/2? (?t = ?/2) gemessen, sondern etwas fr her.
Die Anzeige f r t = ?/2? sei mit oo bezeiehnet : sie ist :
S90 = Smax ò sin (?/2 + ?) = Smax ò cos ?, folglieh 5", j, = 90 ; hieraus folgt
Cos?
Tg? =S0/S90. Je nachdem, ob man Smax oder s ;) o abliest und berüeksichtigt, erhält man den Wert in der Form von sin (p oder tg (p. Bei kleinen Winkeln p besteht kein merkbarer Unterschied zwischen beiden Werten.
Meistens interessiert bei der Dämpfungs- messung die Relativdämpfung, die bekanntlieh das 0S7-faehe des nach der obigen Beziehung ermittelten Wertes von ç beträgt. Die relative Dämpfung ist dabei definiert als der Energieverbraueh während eines vollen Lastwechsels, bezogen auf die im Probestab aufgespeieherten potentiellen Energie im Kraftmaximum.
Die erfindungsgemässe Ermittlung des DÏmpfungswinkels bzw. der relativen Dämp- fung hat neben ihrer Einfachheit und Ge nauigkeit noeh den weiteren Vorteil, dass keinerlei Eiehungen für die Kraftanzeige und die Verformungsanzeige notwendig werden.
Lediglieh die Empfindlichkeit des Wattmeters und des Wechselstromgebers ist so einzustellen, dass der Wert von s, n,., jeweils in den Alessbereieh des Wattmeters fällt.
Die neue Messmethode lässt sich ohne weiteres an den bekannten Sehwingungsprüf- masehinen mit Massenkrafterregung, Exzentererregung oder dergleiehen anwenden. Die elektrischen Messinstrumente, Tauehspulen und das hochempfindliche Wattmeter sind die gleichen, wie sie bei Auswuchtmaschinen mit elektrodynamischer Anzeige Verwendung finden. Die Einstellung der Winkelstellung des Weehselstromgebers, der mit dem Erreger der Prüfmasehine synchron umläuft, kann nicht nur durch Verdrehen des Stators, sondern auch durch Zwischenschaltung eines Differentials vorgenommen werden.