CH648124A5 - MATERIAL TESTING MACHINE WITH PIEZOELECTRIC DRIVE. - Google Patents

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CH648124A5
CH648124A5 CH7315/80A CH731580A CH648124A5 CH 648124 A5 CH648124 A5 CH 648124A5 CH 7315/80 A CH7315/80 A CH 7315/80A CH 731580 A CH731580 A CH 731580A CH 648124 A5 CH648124 A5 CH 648124A5
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CH
Switzerland
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testing machine
elements
mass
oscillating
spring
Prior art date
Application number
CH7315/80A
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German (de)
Inventor
Andreas Pohl
Guenter Keller
Gerhard Hintz
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Schenck Ag Carl
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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- The invention relates to a material testing machine with an oscillating spring 15, in a manner not shown, to preload on a train or a test frame as well as receiving means and a Bela pressure, and thereby, in resonance mode, a device for the test object. additional preload (medium load) to be applied to sample 11

Bei Material- oder Werkstoffprüfmaschinen sind mecha- bringen. In the case of material or material testing machines, mechanical devices are required.

nische, elektrodynamische und hydraulische Antriebe be- Zum Nachfahren von vorgegebenen Sollwerten, Bela- African, electrodynamic and hydraulic drives to follow specified setpoints, loading

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, knows. All of these known drives have a frequency of 40 function functions or load cycles when tested from a range of a few hundred Hz. Materials and components in the so-called after-run mode,

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- The object of the present invention is, with little effort, the load or excitation device 21 can drive a drive for a material-related connecting elements or clamping devices, also for a testing machine, in particular for a resonance-operated direct, i.e. without the interposition of a vibrating mass and testing machine 2x1, the high test frequencies up to the 45 of a vibrating spring can be connected to the sample 11. Permits kilohertz range and a simple frequency control. The excitation device 21 has a number of behind

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- gelation enables, with predetermined force and / or path-connected piezoelectric elements 22 on. Target values should be adhered to with high accuracy. The piezoelectric elements can e.g. as disks from-This task is inventively formed by the in the patent and stacked on top of each other. They are solved by the features specified in claim 1. The dependent 50 layers of suitable material separated from each other, claims contain embodiments of the invention. each disc has its own electrical connection

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. The advantages of the invention arise essentially. The electrical connections are in the drawing from the task. According to the invention, piezo reasons are not shown for the sake of clarity.

elektrische Elemente in geeigneter Ausbildung und Anord- Die Anzahl, Grösse, Ausführung und Anordnung der pie- electrical elements in a suitable design and arrangement - the number, size, design and arrangement of the 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 as an actuator, i.e. To generate 55 zoelectric elements, the choice is made so that the desired testing or excitation forces are used for testing machines. The ten forces and / or paths set on the testing machine can be used using piezoelectric drive elements. It can also be particularly advantageous in a manner not shown in resonance testing machines, since in the case of such a plurality of stacks of piezoelectric elements, symmetrical testing machines only small excitation paths are required to the load axis of the testing machine, if suitable excitation arrangements are provided. 60 Since the piezoelectric elements in general that. With the testing machine according to the invention, material samples and components can absorb forces, accelerations, loads, on large compressive forces, but only small tensile forces, they are braced by an elastic frame 23 against ge and speeds in the frequency range up to a few, i.e. the transverse yoke 4. biased to pressure. The kilohertz with particularly high accuracy corresponding to tensioning can also be applied via expansion screws or other predetermined setpoints, namely by means of suitable elastic elements. It is probably used in resonance as well as in descendant mode. here so elastic that they only a small part

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. The piezoelectric effect is known in the art. the forces generated by the piezoelectric elements when electrical

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 By suitable electrical control (voltage U) of the piezoelectric elements 22, they change their dimensions in the direction of loading, i.e. in the illustrated embodiment in the vertical axis of the testing machine and thereby generate the forces required for the test operation. In resonance mode, the excitation frequency for the piezoelectric elements 22 is selected so that it corresponds to the natural frequency of the oscillating spring-mass system of the test specimen 11, the oscillating mass 14, the oscillating spring 15 and the test frame 1 to 4. As a result, large mass forces can be generated with small excitation forces, which result from the sample 11

3 648124 3 648124

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. must be included. Since the damping of the system is very small, resonance peaks of over 100 are achieved, i.e. the forces generated in the test facility are 100 times greater than the excitation forces. 5 In the after-run mode, test objects can be tested under the desired loads (forces, accelerations, etc.) up to frequencies of a few kilohertz. The low damping of the system also results in a favorable energy balance. The accuracy of the set loads is particularly high.

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (7)

648124 2 PATENTANSPRÜCHE chung verformt, werden elektrische Ladungen auf ihnen er-648124 2 PATENT CLAIMS deformed, electrical charges are created on them 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). 1. Materials testing machine with a test frame and testifies. Conversely, the same materials under the receiving means and a loading device for the influence of electrical charges change their dimensions and can-DUT, characterized in that the loading devices exert high forces as a result. Crystals or piezoelectric (21) consists of piezoelectric elements (22), which are 5 trical elements, in which such phenomena occur, are formed and arranged such that they are electrically connected e.g. Quartz crystals or synthetically produced controls generate forces in the direction of loading. Ceramic elements (metal oxides). 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. 2. Material testing machine according to claim 1, characterized in that the invention is characterized in one embodiment that the piezoelectric elements (22) are shown in the drawing by way of example and are explained in more detail in the description, preferably arranged in a rod-like manner. The figure shows a resonance testing machine, individual elements are made. with piezoelectric drive. 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 3. The material testing machine according to claim 1, characterized in that the testing machine has a counter mass 1, one of which indicates that the piezoelectric elements (22) consist of test frames 2, 3 arranged in a counter mass and a transverse yoke consist of several sets of individual elements that are symmetrical . The counter mass 1 is arranged via elastic elements 5, 6 and trically to the loading axis of the testing machine. 15 possibly damping elements 7,8 on the foundation 4. Werkstoffprüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 abgestützt. 4. Material testing machine supported according to one of claims 1. 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- to 3, in particular for carrying out resonance testing. A test specimen 11 is attached to a gene via a clamping device 12, characterized in that is fastened between the piezoelectric counter mass 1. The other side of the test specimen is seen elements (22) and the test specimen (11) is a vibrating via a further clamping device 13 with a vibrating mass (14) is arranged. 20 mass 14 connected. The vibrating mass 14 is connected via a 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. 5. Material testing machine according to claim 4, thereby adjustable oscillating spring 15, which in the drawing shows in the form of a rod that is shown between the piezoelectric elements, to a loading or excitation device 21 (22) and the oscillating mass (14) an oscillating spring (15 ) connected. ordnet ist. Die Schwingfeder 15 dient zur Einleitung der Erregung in is arranged. The oscillating spring 15 serves to initiate the excitation 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 6. Material testing machine according to claim 5, characterized in that the 25 by the sample 11 and the Schwingmas characterizes that the oscillating spring (15) as an adjustable front 14 and the oscillating spring 15 itself and optionally load spring is formed. other parts of the testing machine formed vibrating 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 7. Materials testing machine according to one of the previous systems. By using an oscillating spring, one of the claims is characterized in that the piezoelectrically particularly advantageous and economical excitation of the trical element (22) in the direction of loading upon pressure-oscillating system is possible, since with a suitable spring deflection it is tensioned. only small pathways are required (foot excitation). The arousal can also be done without intermediate Schwingfeder direkt in das schwingende System eingeleitet werden (Massenerregung). Weiterhin ist es möglich, die Vibration spring can be introduced directly into the oscillating system (mass excitation). It is also possible to use the
CH7315/80A 1979-10-02 1980-09-30 MATERIAL TESTING MACHINE WITH PIEZOELECTRIC DRIVE. CH648124A5 (en)

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