CH648124A5

CH648124A5 - Werkstoffpruefmaschine mit piezoelektrischem antrieb.

Info

Publication number: CH648124A5
Application number: CH7315/80A
Authority: CH
Inventors: Andreas Pohl; Guenter Keller; Gerhard Hintz
Original assignee: Schenck Ag Carl
Priority date: 1979-10-02
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1985-02-28
Also published as: DE2939923C2; GB2060179A; JPS596752U; GB2060179B; JPS5651642A; DE2939923A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkstoffprüfmaschine mit ei- 35 Schwingfeder 15 in nicht dargestellter Weise auf Zug oder nem Prüfrahmen sowie Aufnahmemitteln und einer Bela- Druck vorzuspannen und dadurch bei Resonanzbetrieb eine stungseinrichtung für den Prüfling. zusätzliche Vorbelastung (Mittellast) auf die Probe 11 aufzu-

Bei Material- oder Werkstoffprüfmaschinen sind mecha- bringen.

nische, elektrodynamische und hydraulische Antriebe be- Zum Nachfahren von vorgegebenen Sollwerten, Bela-

kannt. Alle diese bekannten Antriebe sind in ihrer Frequenz 40 stungsfunktionen oder Belastungszyklen bei der Prüfung von begrenzt auf einen Bereich von einigen hundert Hz. Werkstoffen und Bauteilen im sogenannten Nachfahrbetrieb,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit geringem kann die Belastungs- oder Erregereinrichtung 21 über geeig-konstruktivem Aufwand einen Antrieb für eine Werkstoff- nete Verbindungselemente bzw. Einspannvorrichtungen auch Prüfmaschine, insbesondere für eine in Resonanz betriebene direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung einer Schwingmasse und Prüfmaschine 2x1 schaffen, der hohe Prüffrequenzen bis in den 45 einer Schwingfeder, mit der Probe 11 verbunden werden. Kilohertz-Bereich zulässt und der eine einfache Frequenzre- Die Erregereinrichtung 21 weist eine Anzahl von hinter-

gelung ermöglicht, wobei vorgegebene Kraft- und/oder Weg- einander geschalteten piezoelektrischen Elementen 22 auf. Sollwerte mit hoher Genauigkeit eingehalten werden sollen. Die piezoelektrischen Elemente können z.B. als Scheiben aus-Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Patent- gebildet und aufeinander gestapelt sein. Sie sind durch Zwi-anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die abhängigen 50 schenlagen aus geeignetem Material voneinander getrennt, Ansprüche enthalten Ausgestaltungen der Erfindung. wobei jede Scheibe einen eigenen elektrischen Anschluss auf-

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich im wesentlichen weist. Die elektrischen Anschlüsse sind in der Zeichnung aus aus der Aufgabenstellung. Nach der Erfindung werden piezo- Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

elektrische Elemente in geeigneter Ausbildung und Anord- Die Anzahl, Grösse, Ausführung und Anordnung der pie-

nung als Betätigungseinrichtung, d.h. zur Erzeugung von 55 zoelektrischen Elemente wird so gewählt, dass die gewünsch-Prüf- oder Erregerkräften für Prüfmaschinen eingesetzt. Die ten Kräfte und/oder Wege an der Prüfmaschine eingestellt Verwendung von piezoelektrischen Antriebselementen ist ins- werden können. Es können auch in nicht dargestellter Weise besondere bei Resonanzprüfmaschinen vorteilhaft, da bei sol- mehrere Stapel von piezoelektrischen Elementen symmetrisch chen Prüfmaschinen nur geringe Erregerwege erforderlich zur Belastungsachse der Prüfmaschine angeordnet werden, sind, wenn geeignete Erregeranordnungen vorgesehen wer- 60 Da die piezoelektrischen Elemente im allgemeinen zwar den. Mit der erfindungsgemässen Prüfmaschine können auf grosse Druckkräfte, aber nur kleine Zugkräfte aufnehmen Materialproben und Bauteile Kräfte, Beschleunigungen, We- können, sind sie durch einen elastischen Rahmen 23 gegen ge und Geschwindigkeiten im Frequenzbereich bis zu einigen das Querjoch 4 verspannt, d.h. auf Druck vorgespannt. Die Kilohertz mit besonders hoher Genauigkeit entsprechend Verspannung kann auch über Dehnschrauben oder andere vorgegebenen Sollwerten aufgebracht werden und zwar so- 6s geeignete elastische Elemente vorgenommen werden. Sie wird wohl bei Resonanz- als auch bei Nachfahrbetrieb. hierbei so elastisch ausgeführt, dass sie nur einen kleinen Teil

Der piezoelektrische Effekt ist in der Technik bekannt. der von den piezoelektrischen Elementen bei elektrischer AnWenn man bestimmte Kristalle durch mechanische Beanspru- Steuerung erzeugten Kräfte aufnimmt.

Durch geeignete elektrische Ansteuerung (Spannung U) der piezoelektrischen Elemente 22 ändern diese ihre Abmessungen in Belastungsrichtung, d.h. im dargestellten Ausführungsbeispiel in der vertikalen Achse der Prüfmaschine und erzeugen dadurch die für den Prüfbetrieb erforderlichen Kräfte. Bei Resonanzbetrieb wird die Erregerfrequenz für die piezoelektrischen Elemente 22 so gewählt, dass sie der Eigenfrequenz des schwingenden Feder-Masse-Systems von Prüfling 11, Schwingmasse 14, Schwingfeder 15 und Prüfrahmen 1 bis 4 entspricht. Dadurch können bei kleinen Erregerkräften grosse Massenkräfte erzeugt werden, die von der Probe 11

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aufgenommen werden müssen. Da die Dämpfung des Systems sehr klein ist, werden Resonanzüberhöhungen von über 100 erreicht, d.h. die in der Prüfeinrichtung erzeugten Kräfte sind um den Faktor 100 grösser als die Erregerkräfte. 5 Im N achfahrbetrieb können Prüflinge unter den gewünschten Belastungen (Kräfte, Beschleunigungen usw.) bis zu Frequenzen von einigen Kilohertz geprüft werden. Durch die geringe Dämpfung des Systems ergibt sich auch hier eine günstige Energiebilanz. Die Genauigkeit der eingestellten Be-io lastungen ist dabei besonders hoch.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

648124 2 PATENTANSPRÜCHE chung verformt, werden elektrische Ladungen auf ihnen er-

1. Werkstoffprüfmaschine mit einem Prüfrahmen sowie zeugt. Umgekehrt ändern die gleichen Materialien unter dem Aufnahmemitteln und einer Belastungseinrichtung für den Einfluss elektrischer Ladungen ihre Abmessungen und kön-Prüfling, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungseinrich- nen dadurch hohe Kräfte ausüben. Kristalle oder piezoelek-tung (21) aus piezoelektrischen Elementen (22) besteht, die so 5 trische Elemente, bei denen solche Erscheinungen auftreten, ausgebildet und angeordnet sind, dass sie bei elektrischer An- sind z.B. Quarzkristalle oder synthetisch hergestellte Steuerung Kräfte in Belastungsrichtung erzeugen. Keramikelemente (Metalloxyde).

2. Werkstoffprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge- Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungs-kennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (22) aus beispiel in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung aufeinander geschichteten, vorzugsweise stabförmig angeord- 10 näher erläutert. Die Figur zeigt eine Resonanzprüfmaschine neten, Einzelelementen bestehen. mit piezoelektrischem Antrieb.

3. Werkstoffprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge- Die Prüfmaschine weist eine Gegenmasse 1, einen an der kennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (22) aus Gegenmasse angeordneten Prüfrahmen 2,3 und ein Querjoch mehreren Sätzen von Einzelelementen bestehen, die symme- 4 auf. Die Gegenmasse 1 ist über elastische Elemente 5,6 und trisch zur Belastungsachse der Prüfmaschine angeordnet sind. 15 gegebenenfalls Dämpfungselemente 7,8 auf dem Fundament

4. Werkstoffprüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 abgestützt.

bis 3, insbesondere zur Durchführung von Resonanzprüfun- Ein Prüfling 11 ist über eine Einspannvorrichtung 12 an gen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den piezoelektri- der Gegenmasse 1 befestigt. Die andere Seite des Prüflings ist sehen Elementen (22) und dem Prüfling (11) eine Schwing- über eine weitere Einspannvorrichtung 13 mit einer Schwingmasse (14) angeordnet ist. 20 masse 14 verbunden. Die Schwingmasse 14 ist über eine ver-

5. Werkstoffprüfmaschine nach Anspruch 4, dadurch ge- stellbare Schwingfeder 15, die in der Zeichnung in Stabform kennzeichnet, dass zwischen den piezoelektrischen Elementen dargestellt ist, an eine Belastungs- oder Erregereinrichtung 21 (22) und der Schwingmasse (14) eine Schwingfeder (15) ange- angeschlossen.

ordnet ist. Die Schwingfeder 15 dient zur Einleitung der Erregung in

6. Werkstoffprüfmaschine nach Anspruch 5, dadurch ge- 25 das im wesentlichen durch die Probe 11 und die Schwingmas-kennzeichnet, dass die Schwingfeder (15) als einstellbare Vor- se 14 sowie die Schwingfeder 15 selbst und gegebenenfalls lastfeder ausgebildet ist. weitere Teile der Prüfmaschine gebildete schwingende

7. Werkstoffprüfmaschine nach einem der vorhergehen- System. Durch die Verwendung einer Schwingfeder ist eine den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelek- besonders vorteilhafte und wirtschaftliche Erregung des trischen Elemente (22) in Belastungsrichtung auf Druck vor- 30 schwingenden Systems möglich, da bei geeigneter Federausle-gespannt sind. gung nur kleine Erregerwege erforderlich sind (Fusspunkterregung). Die Erregung kann auch ohne zwischengeschaltete

Schwingfeder direkt in das schwingende System eingeleitet werden (Massenerregung). Weiterhin ist es möglich, die