DE102005048956A1

DE102005048956A1 - Schwingungserreger

Info

Publication number: DE102005048956A1
Application number: DE200510048956
Authority: DE
Inventors: Martin Rippl; Hans-Jürgen Simm
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: DE102005048956B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingungserreger (1) oder Shaker zur dynamischen Anregung eines Prüflings. Bei bekannten derartigen Schwingungserregern ist die Länge (33) einer Tauchspule (32) größer ausgebildet als eine Länge eines Magnetfelds (34) im Bereich der Tauchspule (32). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die Länge (34) des Magnetfelds größer als die Länge (33) der Tauchspule (32). Weiterhin wird vorgeschlagen, den Stößel (16) in Luftlagern zu lagern. Vorzugsweise erfolgt der Einsatz eines Keramikmaterials oder von Aluminium für Stößel (16), Flansch (36), Verbindungselement (35). Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die bewegte Masse des Schwingungserregers reduziert werden. DOLLAR A Die Erfindung findet Einsatz zur Prüfung der Dynamik eines Prüflings, insbesondere eines Luftfahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungserreger zur dynamischen Anregung eines Prüflings in eine Anregungsrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schwingungserreger, die auch als Shaker bezeichnet werden, finden Einsatz zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften eines Prüflings. Hierzu wird durch den Schwingungserreger der Prüfling mit einem definierten Testsignal beaufschlagt und die dynamische Systemantwort erfasst. Aus einem Vergleich der Anregung mit dem Testsignal und der Systemantwort werden im Zeitbereich, im Frequenzbereich und/oder unter Verwendung einer Modalanalyse Rückschlüsse über die Eigenschaften des Prüflings gezogen, vgl. bspw. H.G. Natke: Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse.

Bei bekannten derartigen Schwingungserregern, vgl. JP 06249745 A , DD 296 428 A5 , JP 110446066 A , JP 2000292303 A , JP 2003337079 A , JP 2004219196 A , JP 2004219307 A , JP 56069530 A und JP 62035237 A , wird eine Anregungskraft in eine Anregungsrichtung unter Einsatz eines Magnetfeldes erzeugt, welches radial zu der Anregungsrichtung orientiert ist und sich in eine Anregungsrichtung über eine Länge L_M erstreckt. In diesem Magnetfeld wird eine Tauchspule angeordnet, die Wicklungen aufweist, die quer zu dem Magnetfeld orientiert sind und über eine regelbare elektrische Leistungsversorgung mit einem elektrischen Signal beaufschlagt werden. Je nach Größe des elektrischen Signals wird eine elektromagnetische Kraft in Anregungsrichtung erzeugt, die über einen mit der Tauchspule verbundenen Stößel auf den Prüfling aufgebracht wird.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Schwingungserreger hinsichtlich seiner Wechselwirkung mit dem Prüfling und seiner dynamischen Eigenschaften zu verbessern.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche 2 bis 14.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass bekannte Schwingungserreger, beispielsweise bedingt durch eine übliche Aufhängung einer Erregerspule an so genannten Spinnenfedern, nur für kleine Amplituden geeignet sind. Insbesondere bei Leichtbaustrukturen kann ein Prüfling daher u. U. nur unzureichend erregt werden, da wegen der begrenzt möglichen Amplitude des Schwingungserregers eine Anregung nicht an einer optimalen Position des Prüflings (Schwingungsbauch) erfolgen kann. Liegen noch dazu die Eigenfrequenzen der zu untersuchenden Struktur im unteren Frequenzbereich, ist bei der Messung der Systemantwort des Prüflings, beispielsweise mit Beschleunigungsaufnehmern, die Messgenauigkeit nur begrenzt.

Weiterhin finden oftmals für eine Ausbildung des Schwingungserregers Stößel aus ferromagnetischem Stahl Einsatz, die in Kugelbuchsen in Längsrichtung geführt sind. Eine derartige Bauweise ermöglicht zwar große Bewegungsamplituden. Allerdings erweist sich als nachteilig, dass ein Stößel von einem Permanentmagneten des Schwingungserregers abhängig von der Eintauchtiefe des Stößels in dem Bereich der Permanentmagneten mehr oder weniger angezogen wird, so dass sich eine statische Kraft ergibt, die der gewollten Erregerkraft überlagert ist und auf den Prüfling übertragen wird. Weiterhin kann die Anregungskraft in Anregungsrichtung in Abhängigkeit von der zuvor erwähnten Eintauchtiefe abhängig sein. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass sich für eine harmonische Anregung des Schwingungserregers eine nichtharmonische Erregerkraft ergibt, die die Messungen beeinflusst oder einen erhöhten Regelungsbedarf für die Vorgabe des elektrischen Signals in der Tauchspule bedeutet.

Bei einer Anwendung des so genannten Phasenresonanzverfahrens wird die generalisierte Masse aus der komplexen Leistung der Anregungskraft bestimmt. Dies erfolgt durch eine Messung der Anregungskraft und der zugeordneten Bewegung des Prüflings am Ort der Einleitung der Anregungskraft. Hierbei können sich verschiedene Fehlerquellen ergeben:

– Bei niedrigen Frequenzen kann die Messung der Bewegung am Ort der Einleitung der Anregungskraft mit Hilfe von Beschleunigungsaufnehmern ungenau sein, da die Beschleunigungssignale sehr klein sind.
– Bei getrennter Anordnung der Orte für die Messung der Anregungskraft und der Bewegung können durch Ausrichtfehler der Vektor der Anregungskraft und der Vektor der gemessenen Bewegung in verschiedene Richtungen weisen.

Für den Fall von weich aufgehängten Prüflingen kann weiterhin je nach Art der gewählten Aufhängung ein mehr oder weniger starkes "Auswandern" zu beobachten sein, so dass sich eine Tauchspule des Schwingungserregers aus einer Mittelposition verlagert. Dadurch wird einerseits die mögliche maximale Amplitude der Anregung des Schwingungserregers einseitig eingeschränkt. In einem Extremfall kann die Tauchspule einseitig an einer Begrenzung oder dem Gehäuse anschlagen. Eine Rückmeldung der Position der Tauchspule, insbesondere einer Mittenlage, relativ zu einem Erregergehäuse, ist hierbei aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass bei bekannten Schwingungserregern Tauchspulen eingesetzt werden, bei denen die Länge der Tauchspule so groß gewählt wird, dass die Tauchspule über den gesamten Hub des Schwingungserregers Wicklungen aufweist, die im Bereich des Magnetfelds angeordnet sind. Damit ergibt sich eine Länge der Tauchspule L_T, die zumindest der Summe der Länge L_M der Erstreckung des Magnetfelds in der Anregungsrichtung und der doppelten Amplitude der maximalen Bewegung des Schwingungserregers entspricht. In Folge der großen Gesamtlänge L_T der Tauchspule ergibt sich eine verhältnismäßig große mitschwingende Masse, die die dynamischen Eigenschaften des Prüflings beeinträchtigen kann und zu einem Messfehler oder einem Fehler der mittels der Modalanalyse identifizierten Parameter führen kann oder aber eine aufwendige Berücksichtigung erfordert.

Erfindungsgemäß wird ein "umgekehrter Weg" gewählt:
Die Länge L_T der Tauchspule wird an die mit dem Schwingungserreger aufzubringenden Anregungskräfte angepasst, was unter Berücksichtigung der elektromagnetischen Eigenschaften im Bereich von Tauchspule und Magnetfeld, der Stärke des Magnetfeldes, der Zahl der Wicklungen der Tauchspule und des in der Tauchspule geführten elektrischen Stroms erfolgt. Eine unnötige Verlängerung der Tauchspule zur Gewährleistung, dass sich ein Teilbereich der Tauchspule auch für eine Verschiebung der Tauchspule aus der Mittellage in dem Magnetfeld erstreckt, wird dadurch vermieden, dass die Länge L_M der Erstreckung des Magnetfeldes in Anregungsrichtung größer ist als die Erstreckung L_T der Tauchspule in Anregungsrichtung. Die Erstreckung des Magnetfeldes L_M wird damit vorzugsweise mindestens so groß gewählt, dass sich die Tauchspule während der gesamten Anregungsbewegung vollständig in dem Magnetfeld befindet.

Unter der erfindungsgemäßen Länge L_M der Erstreckung des Magnetfeldes in Anregungsrichtung wird insbesondere die Länge verstanden, über die das Magnetfeld im Bereich der Tauchspule hinreichend homogen in Bewegungsrichtung ist, um den maximal tolerierbaren Fehler (mit oder ohne eine geeignete Regelung des elektrischen Signals in Abhängigkeit der Position der Tauchspule) für eine Erzeugung der Anregungskraft zu gewährleisten. Im einfachsten Fall korreliert die Länge L_M mit einem Spalt konstanter Spalthöhe zwischen einem Permanentmagneten und einem Kein, in dem sich die Tauchspule bewegt. Erfindungsgemäß wird im Gegensatz zum Stand der Technik die Erstreckung L_T der Tauchspule auf das für die Erzeugung der Anregungskraft notwendige Maß verringert, während dem Hub des Schwingungserregers durch eine erhöhte Länge L_M der Erstreckung des Magnetfelds in der Anregungsrichtung Rechnung getragen wird.

Grundsätzlich möglich ist, dass das Magnetfeld, in dem sich die Tauchspule bewegt, ein elektromagnetisches Magnetfeld ist mit konstanter Stärke oder mit im Zuge einer Regelung veränderlicher Stärke. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird allerdings das Magnetfeld unter Einsatz zumindest eines Permanentmagneten bereitgestellt. Dies stellt eine besonders einfache Lösung dar, für die eine aufwendige Leistungselektronik oder Regelung zur Bereitstellung des Magnetfelds nicht erforderlich ist. Gleichzeitig stellen die Permanentmagneten unabhängig von weiteren Betriebsbedingungen ein konstantes, in Bewegungsrichtung homogenes Magnetfeld bereit, so dass diese Ausgestaltung einen Beitrag zu einer exakten Vorgabe der Anregungskraft über den Hub leisten kann.

Für eine mögliche Ausgestaltung ist der Permanentmagnet hohlzylinderförmig ausgebildet mit einem radial außen liegenden Pol und einem radial innen liegenden Pol, wobei sich unter Zusammenwirken mit weiteren magnetischen Bauelementen ein radiales Magnetfeld ergibt. Eine vereinfachte Fertigung und Anbindung des Permanentmagneten an benachbarte, magnetische Bauelemente ergibt sich, wenn der Permanentmagnet mit teilhohlzylinderförmigen einzelnen Magneten gebildet ist, die jeweils mit einem Umfangssegment eines Hohlzylinders gebildet sind.

Für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist der magnetische Fluss des Permanentmagneten über einen einen Pol kontaktierenden magnetischen Festkörper einem zylinderförmigen Kern zugeführt, welcher mit dem anderen Pol einen teilhohlzylinderförmigen Luftspalt oder einen hohlzylinderförmigen Luftspalt ausbildet, in dem sich die Tauchspule bewegt. Durch den magnetischen Festkörper kann der magnetische Fluss gestärkt werden, wodurch die Dimensionen der Tauchspule verringert werden können, vergrößerte Anregungskräfte erzeugt werden können, die elektrischen Signale vermindert werden können und/oder die Größe des Luftspalts und/oder die radiale Erstreckung der Tauchspule vergrößert werden können.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwingungserregers ist der Stößel über eine Kugelführung gelagert. Eine derartige Kugelführung kann für eine radiale Führung des Stößels bei Gewährleistung einer axialen Verschieblichkeit eingesetzt werden. Von besonderem Vorteil kann es hierbei sein, wenn ein Stößel aus technischer Keramik eingesetzt wird. Ein derartiger Stößel kann die gleiche Oberflächenqualität, Verschleißfestigkeit und Härte wie ein gemäß dem Stand der Technik für eine Kugelführung verwendeter Stahl aufweisen. Allerdings ist ein derartiger Stößel aus Keramik nicht magnetisch, so dass die Bewegung des Stößels in Richtung des Permanentmagneten oder von diesem weg nicht zu einer Beeinflussung der Anregungskraft führen kann.

Ebenfalls möglich ist, dass der Stößel über Luftlager gelagert ist. Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Luftlager einerseits einen geringen Widerstand gegenüber einer Bewegung des Stößels in Anregungsrichtung aufweist. Mittels eines Luftlagers kann eine minimale Dämpfung erzeugt werden. Nichtlineare Effekte wie nicht lineare Haft-Gleit-Übergänge, die zur Überlagerung der Anregungskräfte mit Nichtlinearitäten führen, können durch Einsatz eines Luftlagers vermieden werden.

Ein erfindungsgemäßer Einsatz eines Luftlagers zur Lagerung des Stößels ermöglicht vorzugsweise den Einsatz eines Stößels aus Aluminium, was bei Einsatz einer Kugelführung in Folge der geringeren mechanischen Eigenschaften des Aluminiums und in Folge der bei den Kugelführungen auftretenden Hertz'schen Kontaktspannungen unter Umständen nicht möglich ist. Ein derartiger Stößel aus Aluminium hat einerseits den Vorteil, dass keine Beeinflussung der Anregungskraft in Folge einer Bewegung des Stößels in Richtung der Permanentmagnete und von diesen weg erfolgt. Andererseits besitzt Aluminium ein geringeres spezifisches Gewicht als Stahl, so dass durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung die bewegte Masse des Schwingungserregers vermindert werden kann.

Entsprechend einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist in den Schwingungserreger ein Wegsensor integriert. Ein derartiger Wegsensor kann einer geeigneten Regelung der elektrischen Beaufschlagung der Tauchspule und/oder eine geeigneten Rückmeldung an die die Schwingungsprüfung durchführende Person hinsichtlich der Position der Tauchspule gegenüber dem Magnetfeld dienen. Beispielsweise kann mit Hilfe des Wegsensors die Mittelstellung der Erregerspulte kontrolliert werden, so dass die maximale Amplitude des Schwingungserregers in beide Richtungen ausgenutzt werden kann. Demgemäß kann eine Überwachung derart erfolgen, dass eine Abweichung der gemessenen Position der Spule von einer vorgegebenen Mittelstellung überwacht wird und bei Überschreiten eines Kriteriums, beispielsweise eines Schwellwertes des Betrages der Abweichung, geeignete Maßnahmen wie ein Warnsignal oder ein Abschalten oder eine geeignete Nachregelung getroffen werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn ein derartiger Wegsensor einen Sensor oder einen Empfänger aufweist, der unmittelbar an einer Verlängerung des Stößels (vor oder hinter der Tauchspule) angeordnet ist den Weg in Anregungsrichtung erfasst.

Vorzugsweise ist der Wegsensor als optischer Sensor ausgebildet. Derartige optische Sensoren haben sich als unempfindlich gegenüber einem Magnetfeld herausgestellt, weisen üblicherweise eine geringe mitschwingende Masse auf, stellen ein berührungsloses Prüfverfahren dar, so dass eine Rückwirkung des Messverfahrens auf die erzeugte Anregungskraft vermieden ist, und erzeugen keine Phasenverschiebung im interessierenden Frequenzbereich. Beispielsweise kann der optische Sensor eine LED als ein optisches Signal emittierendes Bauelement aufweisen.

Eine besonders gute Integration des optischen Sensors in den Schwingungserreger kann sich erfindungsgemäß dann ergeben, wenn ein ein optisches Signal emittierendes Bauelement des optischen Sensors unmittelbar von dem Stößel getragen wird und/oder ein ein optisches Signal empfangendes Bauelement des optischen Sensors von einem das Magnetfeld beinhaltenden Kern getragen wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll vermieden werden, dass im Betrieb des Schwingungserregers eine Rotation der Tauchspule mit Stößel um die Anregungsrichtung erfolgt. Andererseits soll für eine Montage unter Umständen eine begrenzte Verdrehbarkeit des Stößels gegenüber einem Stator des Schwingungserregers möglich sein. Als weitere Anforderung für eine geeignete Lagerung von Stößel und Tauchspule gegenüber dem Stator ist es vorteilhaft, wenn möglichst Rückwirkungen einer Lagerung auf die Erzeugung der Anregungskraft vermieden werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass integral mit einem Lager zur Gewährleistung des translatorischen Freiheitsgrades des Stößels und der Tauchspule oder zusätzlich zu dieser eine Verdrehsicherung vorgesehen ist. Die Verdrehsicherung gibt eine maximale Drehung des Stößels in Umfangsrichtung vor, wobei die Verdrehsicherung ein Spiel in Umfangsrichtung vorgibt, welche eine gewisse Verdrehung des Stößels und der Tauchspule, beispielsweise für eine Montage oder eine tolerierbare Verdrehung im Betrieb des Schwingungserregers, zulässt. Wird die maximale Verdrehung erreicht, wird der Verdreh-Freiheitsgrad durch die Verdrehsicherung eingeschränkt.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann ein großer Hub des Schwingungserregers, eine relativ große Erregerkraft, eine verhältnismäßig geringe Masse der Tauchspule und eine verbesserte Linearität des Schwingungserregers erzeugt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schwingungserreger in einem Längsschnitt.
2 zeigt den erfindungsgemäßen Schwingungserreger gemäß 1 in einem Querschnitt mit Schnittführung II-II.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt einen Schwingungserreger 1, der beispielsweise Einsatz findet zur dynamischen Untersuchung eines Luftfahrzeuges mit frei-freien Randbedingungen. Über einen Anbindungsbereich 2 wird mittels des Schwingungserregers 1 auf den nicht dargestellten Prüfling eine definierte Kraft, beispielsweise ein Rauschsignal, ein impulsartiges Signal, ein Sprungsignal oder ein harmonisches Signal oder ein Rechtecksignal, aufgebracht.
Der Schwingungserreger 1 besitzt ein Gehäuse 3, welches mit einer oberen Deckscheibe 4, einem Oberteil 5, einem Unterteil 6, Kern 9 und einer Bodenplatte 7 gebildet ist, die in der vorgenannten Reihenfolge unter Ausbildung eines Innenraumes 8 aneinander befestigt, insbesondere miteinander verschraubt sind.
Das Oberteil 5 ist in dem in 1 dargestellten Längsschnitt ungefähr U-förmig ausgebildet mit einem Grundschenkel 10 und zwei Seitenschenkeln 11, 12. Der Grundschenkel 10 besitzt eine mittige, in Richtung einer Anregungsrichtung 13-13 orientierte Durchgangsbohrung 14, in der unter Zwischenschaltung einer Kugelführung 15 ein Stößel 16 unter Gewährleistung eines translatorischen Freiheitsgrades in Anregungsrichtung 13-13 geführt ist. Für den Fall, dass eine vergrößerte Führungslänge der Kugelführung 15 gewünscht ist, kann der Grundschenkel 10, wie in 1 dargestellt, einen Fortsatz 17 aufweisen.
Das Unterteil 6 ist hohlzylinderförmig ausgebildet und setzt die Seitenschenkel 11, 12 des Oberteils 5 fort.
Der Kern 9 ist in dem in 1 dargestellten Längsschnitt im Wesentlichen T-förmig ausgebildet mit einem in Anregungsrichtung 13-13 orientierten Hohlzylinder 18, der eine zentrale Durchgangsbohrung 19 besitzt, und einem Abschlussbereich 20, der bei der Orientierung des Schwingungserregers 1 gemäß 1 den Innenraum 8 nach unten begrenzt und mit einem umlaufenden Absatz oder Bund 21 an dem Unterteil 6 befestigt ist. Hierbei bildet der Abschlussbereich 20 einen guten magnetischen Übergang zwischen Abschlussbereich 20 und Unterteil 6 aus, beispielsweise im Bereich von eng aneinander anliegender radialer Mantelflächen von Abschlussbereich 20 und Unterteil 6 und/oder von in Anregungsrichtung 13-13 orientierten Stirnflächen.
Der Innenraum 8 ist in Anregungsrichtung 13-13 einerseits durch den Grundschenkel 10 des Oberteiles 5 und andererseits durch den Abschlussbereich 20 des Kerns 9 begrenzt sowie in radialer Richtung durch eine innenliegende zylinderförmige Mantelfläche 22 des Unterteiles 6 und eine innenliegende hohlzylinderförmige Mantelfläche 23 des Oberteils 5. In dem Innenraum 8 ist zwischen einer zylinderförmigen Mantelfläche 24 des Hohlzylinders 18 und der Mantelfläche 22 ein hohlzylinderförmiger Ringraum 25 gebildet.
In dem Ringraum 25 stützen sich Permanentmagnet 26, 27, 28, 29 gegenüber der Mantelfläche 22 ab. Aus 2 ist ersichtlich, dass beispielsweise vier Permanentmagnete 26 bis 29 eingesetzt sein können, die jeweils teilhohlzylinderförmig mit einem kreisringsegmentförmigen Querschnitt gemäß 2 ausgebildet sind und gleichmäßig über den Umfang des Ringraumes 25 verteilt sind.
Die Permanentmagnete 26 bis 29 besitzen eine innenliegende, teilzylinderförmige Mantelfläche 30. Zwischen der Mantelfläche 30 und der Mantelfläche 24 ist ein Luftspalt 31 gebildet, in dem sich ein radial orientiertes Magnetfeld ausbildet, wobei der magnetische Fluss von den Permanentmagneten 26 bis 29 über das Unterteil 6, den Abschlussbereich 20 und den Hohlzylinder 18 durch den Luftspalt 31 zurück zu den Permanentmagneten 26 bis 29 verläuft.
In dem Luftspalt 31 ist eine Tauchspule 32 angeordnet, die koaxial zur Anregungsrichtung 13-13 orientiert ist. Die Tauchspule 32 besitzt eine wirksame Länge L_T (Bezugszeichen 33), während die Permanentmagnet 26 bis 29 eine wirksame Länge L_M (Bezugszeichen 34) besitzen, die im Wesentlichen der Erstreckung der Permanentmagnete 26 bis 29 in Richtung der Anregungsrichtung 13-13 und der Länge des konstanten Luftspaltes 31 entspricht.
Die Tauchspule 32 ist über ein hülsenartiges Verbindungselement 35 fest mit einem kegelartig ausgebildeten Flansch 36 verbunden, der sich in dem Innenraum 8 außerhalb des Hohlzylinders 18 radial innenliegend an dem Stößel 16 fest abstützt, so dass die Tauchspule 32 in Anregungsrichtung 13-13 mit dem Stößel 16 bewegt wird und eine Kraft der Tauchspule 32 auf den Stößel 16 übertragen wird.
Der Stößel 16 setzt sich bei ein- oder mehrstückiger Ausbildung desselben über den Flansch 36 hinaus in das Innere des Hohlzylinders 18 fort und trägt in einem Endbereich einen Sender 37, der ein optisches Signal emittiert. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sender 37 als LED ausgebildet und emittiert Licht radial nach außen. Ein Empfänger 38 ist radial benachbart zu dem Sender 37 in einer radialen Ausnehmung oder Nut 39 des Hohlzylinders 18 angeordnet und weist eine Länge auf, die eine Erfassung des Signals des Senders 37 über den gesamten Hub des Stößels 16 ermöglicht. Sender 37 und Empfänger 38 sind Teil eines optischen Sensors, der die axiale Position des Stößels und ggf. die Abweichung von einer Mittelage in Anregungsrichtung 13-13 erfasst.
Im Bereich des Unterteiles 6 ist an diesem ein Elektronikmodul 40 angeflanscht mit einem Signalprozessor und Komponenten zur Ansteuerung von Sender 37, Empfänger 38 und/oder zum Empfangen der Signale sowie mit einer Schnittstelle 41, über die das Signal des optischen Sensors von dem Schwingungserreger 1 weitergegeben werden kann.
Im Bereich des Seitenschenkels 12 des Oberteils 5 ist dieses von einem Einbaustecker 42, insbesondere einem 9- oder 5-poligen Stecker, durchsetzt, über den mit elastischen Kabeln elektrische Signale, insbesondere dem Sender 37 und/oder der Tauchspule 32, zugeführt oder von diesem abgeführt werden können.
In den Grundschenkel 10 des Oberteils 5 ist parallel zur Längsachse des Schwingungserregers ein Führungsstift 43 eingeschraubt, der sich für den gesamten Hub des Stößels 16 im Bereich einer Ausnehmung 44 durch den Flansch 36 erstreckt, wobei die Ausnehmung 44 des Flansches 36 gegenüber dem Führungsstift 43 ein Übermaß aufweist. Das Übermaß der Ausnehmung 44 in Umfangsrichtung gibt eine maximale Verdrehung des Flansches 36 und damit des Stößels 16 und der Tauchspule 32 vor.
Zur Ermöglichung des magnetischen Flusses ist das Unterteil 6 sowie der Kern 9 vorzugsweise mit St37 gebildet. Bei dem Stößel 16 handelt es sich insbesondere um das Material Frialit-Degussit F99,7. Der Flansch 36 und weitere aufgeführte Bauelemente sind vorzugsweise aus Al Cu Mg Pb hergestellt. Zur Verringerung einer Gleitreibung kann der Führungsstift 43 aus Messing bestehen oder mit Messing beschichtet sein.
Für eine Begrenzung des Eintauchens des Stößels in den Schwingungserreger 1 kann die dem Flansch 36 zugewandte Stirnfläche des Hohlzylinders 18 mit einem Stoßdämpfer 45 aus einem Gummimaterial versehen sein.
Die Länge L_M (Bezugszeichen 34) ergibt sich ungefähr aus der Summe der Länge L_T (Bezugszeichen 33) und der doppelten maximalen Amplitude der möglichen Bewegung des Stößels 16, so dass sich die Tauchspule 32 von der in 1 dargestellten Mittenstellung für die gesamte Anregungsbewegung radial innenliegend von dem Permanentmagneten 26 bis 29 in dem weitestgehend homogenen Magnetfeld im Luftspalt 31 befindet. Der Empfänger 38 ist mit geringfügig gegenüber der Länge L_T 33 vergrößerter Erstreckung in Anregungsrichtung 13-13 ausgebildet.
Zur Anbindung des Flansches 36 an den Stößel 16 ist auf den Stößel 16 in Richtung des Prüflings eine Hülse 46 aufgesteckt, an der sich wiederum eine Hülse des Flansches 36 in Richtung des Flansches abstützt. Eine Sicherung der zuvor genannten Verbindung in entgegengesetzter Richtung erfolgt unter Einsatz einer Wellenmutter 47, die mit einem Gewinde des Stößels 16 verschraubt ist.
Vorzugsweise beträgt die maximale Amplitude 10 mm mit einer maximalen Erregerkraft von 10 Newton bei 2A Spulenstrom (maximal). Die bewegte Masse mit Stößel 16, Flansch 36 und Tauchspule 32 beträgt 32 g. Als optischer Wegsensor findet ein solcher mit einer Empfindlichkeit von 750 mV/mm Einsatz.
Für eine mögliche Ausgestaltung wird ein Erregerkörper aus Weicheisen zur Führung des Magnetfeldes verwendet, der außen hohlzylinderförmig mit einem koaxialen zylinderförmigen Innenteil ausgebildet ist. Um den magnetischen Fluss zu schließen, sind beide Teile am unteren Ende mit einer runden scheibenförmigen Fußplatte geschlossen. Ein radiales Magnetfeld wird dadurch erzielt, dass in den Hohlzylinder über den Umfang verteilt segmentförmige Permanentmagnete montiert sind, die eine dem vorgesehenen Erregerhub angepasste Länge aufweisen. Im Spalt zwischen den segmentförmigen Permanentmagneten und dem zylinderförmigen Weicheisenkern bildet sich ein Magnetfeld aus, das zwar in Umfangsrichtung inhomogen, in axialer Richtung homogen ausgebildet ist.
Für den Fall, dass die mittels eines Beschleunigungssensors an den Prüfling zu erfassenden Beschleunigungen zu klein sind oder einen unzureichenden Signal-/Rausch-Abstand aufweisen, kann das Signal des mit Sender 37 und Empfänger 38 gebildeten Wegsensors verwendet werden und zu einem Beschleunigungssignal umgerechnet werden.

1: Schwingungserreger
2: Anbindungsbereich
3: Gehäuse
4: obere Deckscheibe
5: Oberteil
6: Unterteil
7: Bodenplatte
8: Innenraum
9: Kern
10: Grundschenkel
11: Seitenschenkel
12: Seitenschenkel
13: Anregungsrichtung
14: Durchgangsbohrung
15: Kugelführung
16: Stößel
17: Fortsatz
18: Hohlzylinder
19: Durchgangsbohrung
20: Abschlussbereich
21: Absatz
22: Mantelfläche
23: Mantelfläche
24: Mantelfläche
25: Ringraum
26: Permanentmagnet
27: Permanentmagnet
28: Permanentmagnet
29: Permanentmagnet
30: Mantelfläche
31: Luftspalt
32: Tauchspule
33: Länge LT
34: Länge LM
35: Verbindungselement
36: Flansch
37: Sender
38: Empfänger
39: Nut
40: Elektrikmodul
41: Schnittstelle
42: Einbaustecker
43: Führungsstift
44: Ausnehmung
45: Stoßdämpfer
46: Hülse

Claims

Schwingungserreger zur dynamischen Anregung eines Prüflings in eine Anregungsrichtung (13-13) mit einem Magnetfeld, welches radial zu der Anregungsrichtung (13-13) orientiert ist und sich in der Anregungsrichtung (13-13) über eine Länge L_M (34) erstreckt, und einer in dem Magnetfeld angeordneten Tauchspule (32), die über einen Stößel (16) mit dem Prüfling koppelbar ist und zumindest eine quer zu dem Magnetfeld orientierten Wicklung aufweist, wobei die mindestens eine Wicklung über eine regelbare elektrische Leistungsversorgung zu Erzeugung einer Anregungskraft in Anregungsrichtung (13-13) mit einem elektrischen Signal beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L_M (34) der Erstreckung des Magnetfeldes in Anregungsrichtung (13-13) größer ist als die Erstreckung L_T (33) der Tauchspule (32) in Anregungsrichtung (13-13).
Schwingungserreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld unter Einsatz zumindest eines Permanentmagneten (26, 27, 28, 29) bereitgestellt wird.
Schwingungserreger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (26; 27; 28; 29) teilhohlzylinderförmig ausgebildet ist mit einem radial außen liegenden Pol und einem radial innenliegenden Pol.
Schwingungserreger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten (26–29) über einen einen Pol kontaktierenden magnetischen Festkörper (Unterteil 6; Abschlussbereich 20) einem zylinderförmigen Kern (Hohlzylinder 18) zugeführt ist, welcher mit dem anderen Pol einen teilhohlzylinderförmigen Luftspalt (31) ausbildet, in dem sich die Tauchspule (32) bewegt.
Schwingungserreger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (16) über eine Kugelführung (15) gelagert ist.
Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (16) über Luftlager gelagert ist.
Schwingungserreger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schwingungserreger in Wegsensor integriert ist.
Schwingungserreger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor einen optischen Sensor (Sender 37; Empfänger 38) beinhaltet.
Schwingungserreger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein optisches Signal emittierendes Bauelement (Sender 37) des optischen Sensors von dem Stößel (16) getragen wird.
Schwingungserreger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein optisches Signal empfangendes Bauelement (Empfänger 38) des optischen Sensors von einem den Magnetfluss führenden Kern (Hohlzylinder 18) getragen wird.
Schwingungserreger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in dem Magnetfeld bewegtes Bauelement (Stößel 16; Flansch 36; Verbindungselement 35) mit einem Keramikwerkstoff hergestellt ist.
Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in dem Magnetfeld bewegtes Bauelement (Stößel 16; Flansch 36; Verbindungselement 35) mit einem Aluminiumwerkstoff hergestellt ist.
Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, die eine Verschiebung des Stößels (16) aus einer Mittellage überwacht.
Schwingungserreger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stößel (16) und Tauchspule (32) um die Anregungsrichtung (13-13) verdrehbar und in die Anregungsrichtung (13-13) verschieblich gelagert sind und eine maximale Verdrehung von Stößel (16) und Tauchspule (32) durch eine Verdrehsicherung (Führungsstift 43; Ausnehmung 44) mit einem Spiel in Umfangsrichtung vorgegeben ist.