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.
Method and device for determining the damping of test pieces subjected to vibrating loads.
It is well known that the attenuation of test rods and construction parts can only rarely be precisely determined from the power consumption of a visual vibration testing machine. The recording of the stress-strain diagram has so far proven to be a reliable measuring principle, for example through the use of optical measuring equipment in the case of hysteresis maselline according to Dr. Teaching
The recording of diagrams on a mechanical-optical basis, however, requires a relatively high construction effort and compliance with strict accuracy requirements.
For most of the materials and components for which the attenuation measurement is of practical interest, a sinusoidal dynamic test force is applied, and the resulting deformation is also sinusoidal to a close approximation.
The same applies in reciprocal assignment to machines that work with forced deformation. As a result, the damping work can be determined not only graphically from the area of the force deformation diagram, but also mathematically from the phase angle between the alternating force and the alternating deformation.
Previous attempts to measure the phase angle between alternating force and alternating deformation with the help of a wattmeter did not lead to the goal because the power output that had to be required from the mechanical-electrical converters for direct wattmeter measurement was too great. It was therefore proposed to use oscillation rectifiers, whereby of the two electrical alternating voltages generated, the one with the greater power was used to excite the oscillation rectifier. What was overlooked, however, is that the phase measurements are falsified with the aid of oscillation rectifiers as soon as higher, odd harmonics occur in the measurement voltage.
Since the phase angles to be measured are in the order of magnitude of 1/2 to 1, the errors that occur in the oscillation rectifier must not be neglected.
The subject of the invention is an error-free method and a device for precisely determining this phase angle for the purpose of determining the damping in vibration testing machines.
The new method according to the invention for determining the damping of test bodies subjected to vibrating stress on vibration testing machines is characterized in that alternating deformation and alternating force from mechanical-electrical converters are converted into alternating voltages of the same order of magnitude and one coil one after the other The other coil receives a sinusoidal auxiliary voltage synchronized with the alternating deformation and with an adjustable phase position, whereby the phase of the auxiliary current is first set to zero failure of the wattmeter when the voltage corresponding to the alternating deformation is applied,
Then the voltage corresponding to the electrical power is applied to the wattmeter and the eye-level value of the alternating force is determined when the deformation is zero and the maximum value of the electrical power is determined after the auxiliary voltage has been phase shifted by 90.
In the new process, the mechanical-electrical converters for the electrical deformation and the electrical force only require extremely low power, because the power required to operate the wattmeter, i.e. the excitation of its field, is taken from an auxiliary power source. Due to its ability to analyze harmonics, the wattmeter ensures that all harmonics are eliminated from the voltage curve for the Weehsel deformation and the Weehselkraft and, as a result, the phase angle between the basic vibrations is measured without errors.
The device according to the invention for carrying out the method is characterized by the arrangement of mechanical-electrical converters on the dynamometer and on the two test body clamping heads of the visual vibration test machine and a phase-adjustable alternating current generator rotating at test frequency.
It is advantageous to use a wattmeter that responds to micro-amps in order to avoid additional electrical amplifiers and whose sensitivity can be regulated.
The alternating current generator can be set up in such a way that it emits two alternating currents phase-shifted by 90 synchronously with the test frequency and its angular position can be adjusted, for example by rotating its stator or interposing a differential gear in the drive shaft of the phase encoder. The measurement of the phase angle between Weehselkraft and Weehseldeformation is carried out in the following way:
First of all, the alternating voltage proportional to the alternating deformation, originating from the visual swing difference between the ends of the test specimen, is applied to the rotating coil of the wattmeter.
The phase position of the alternating voltage of the alternating current generator coupled to the exciter of the test machine, for example, which emits one or two syneliron alternating currents shifted by 90 to the test frequency and whose angular position is adjustable, is changed until the display on the highly sensitive wattmeter is exactly at zero when the voltage corresponding to the deformation is applied.
Then the alternating voltage of the plunger coil connected to the dynamometer and responding to the alternating force is applied to the rotating coil of the wattmeter, i.e. instead of the voltage corresponding to the deformation. The now occurring deflection, on the drawing clarifying the following relationships with so, is measured and then the phase position of the encoder alternating current is turned 90 further or a current shifted by 90 is applied to the field coil of the wattmeter. The resulting maximum deflection Sgo is now measured, which roughly corresponds to the maximum deflection s ″, a.
For the coordinates e and s of a point on the hysteresis loop approximated to an ellipse, the following applies: e = e. sin o s = Smax. sin (? t +?). From this, for t = 0: so s "", sin eo = 0, that is, for the point in time at which e = 0 (display on wa. Ttmeter = 0), sin? = S0 / Smax, where S0 is equal to the display for r t = 0 (e = 0) and Smax is equal to the maximum display for s. With larger angles, the maximum display is not measured at time t = (/ 2? (? T =? / 2), but a little earlier.
The display for t =? / 2? be denoted with oo: it is:
S90 = Smax ò sin (? / 2 +?) = Smax ò cos?, Consequently 5 ", j, = 90; it follows
Cos?
Day? = S0 / S90. Depending on whether you read Smax or s;) o and take it into account, you get the value in the form of sin (p or tg (p. With small angles p there is no noticeable difference between the two values.
When measuring attenuation, the relative attenuation is usually of interest, which is known to be the 0S7-fold of the value of ç determined using the above relationship. The relative damping is defined as the energy consumption during a full load change, based on the potential energy stored in the test rod at the maximum force.
In addition to its simplicity and accuracy, the determination of the damping angle or the relative damping according to the invention has the further advantage that no relationships are required for the force display and the deformation display.
Only the sensitivity of the wattmeter and the alternating current transmitter must be set so that the value of s, n,., Falls within the range of the wattmeter.
The new measuring method can be easily applied to the known visual vibration test machines with mass force excitation, eccentric excitation or the like. The electrical measuring instruments, rope coils and the highly sensitive wattmeter are the same as those used in balancing machines with electrodynamic displays. The setting of the angular position of the alternating current generator, which rotates synchronously with the exciter of the test machine, can be done not only by rotating the stator, but also by interposing a differential.