DE10340138A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse Download PDF

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DE10340138A1
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DE
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hammer
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DE2003140138
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Volker Scheef
Karl Bendel
Peter Blaschke
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/08Shock-testing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse an einem Bauteil (14), umfassend einen Hammer (2) mit einem daran angeordneten Kraftaufnehmer (3), ein Federelement, an welchem der Hammer (2) angeordnet ist, eine Vorspanneinrichtung (5), um den Hammer (2) gegen die Federkraft des Federelements (4) vorzuspannen und freizugeben, und eine Steuereinheit (10) zur Steuerung der Vorspanneinrichtung (5). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse (EMA) an einem Bauteil und betrifft weiterhin ein Verfahren zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse.
  • Die experimentelle Modalanalyse ist ein experimentelles Verfahren, um die dynamischen Eigenschaften eines Bauteils aufzuzeigen und so eine Charakterisierung einer Struktur zu ermöglichen. Hierbei wird das zu untersuchende Bauteil mit einer messbaren Kraft angeregt und das Antwortsignal an mehreren Punkten gemessen. Hieraus können Übertragungsfunktionen (Verhältnis zwischen Antwortspektrum und Kraftspektrum) berechnet werden. Hierbei muss üblicher Weise für jeden Knoten eines Modellnetzes eine Übertragungsfunktion gemessen werden, wobei üblicherweise mehrere Mittelungen pro Übertragungsfunktion ausgeführt werden, so dass eine experimentelle Modalanalyse sehr zeitaufwendig werden kann. Mit den durch die experimentelle Modalanalyse gewonnenen Erkenntnissen über das Schwingverhalten, insbesondere Eigenfrequenzen, Schwingungsformen und modale Dämpfungswerte, des Bauteils kann dieses optimiert und stabilisiert werden. Hierbei können neben der Ermittlung der Eigenfrequenzen usw. auch Aussagen über die Biege- und/oder Torsionssteifigkeit getroffen werden.
  • Üblicherweise wird die experimentelle Modalanalyse unter Verwendung eines Handhammers durchgeführt, an welchem ein Kraftaufnehmer angeordnet ist. Der Vorteil der Durchführung der experimentellen Modalanalyse mit einem Handhammer liegt darin, dass keine Beeinflussung der Struktur erfolgt. Diese Methode ist zwar relativ kostengünstig, aufgrund der manuellen Anregung ist jedoch keine exakt gleichbleibende Kraftamplitude möglich. Weiterhin erfordert die Verwendung des Handhammers viel Geschick und Erfahrung durch den Anwender, da ansonsten dieses Verfahren zu falschen Messergebnissen führt.
  • Weiterhin ist es bekannt, die experimentelle Modalanalyse mittels eines so genannten Shakers durchzuführen. Der Shaker ist über einen Stinger mit der Struktur verbunden, welcher im allgemeinen eine Anregung durch Rauschen oder mittels Sinussweep ausführt. Ein Kraftaufnehmer ist zwischen dem Stinger und dem Shaker angeordnet. Der Vorteil des Shaker-Verfahrens liegt darin, dass eine definierte Signalanregung ausgeführt werden kann, da keine Handbedienung notwendig ist. Der Nachteil des Shaker-Verfahrens liegt darin, dass bei der Messung die Struktur beeinflusst wird und das Verfahren einen aufwendigen Messaufbau benötigt und relativ teuer ist.
  • Eine andere bekannte Möglichkeit zur Durchführung der experimentellen Modalanalyse ist eine Anregung mittels eines Pedelhammers. Hierbei wird zwar die Struktur nicht beeinflußt und eine gleichbleibende Kraftamplitude erhalten, jedoch ist nur eine horizontale Anregung möglich und die Bedienung erfolgt von Hand mit den hieraus resultierenden Nachteilen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Versuchszeiten deutlich verkürzt werden können, da die Vorrichtung erlaubt, die experimentelle Modalanalyse automatisch durchzuführen. Weiterhin stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung sicher, dass der Hammerschlag mit einer gleichbleibenden Richtung und Kraftamplitude ausgeführt wird und keine Beeinflussung der zu untersuchenden Struktur auftritt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung einen Hammer mit einem daran angeordneten Kraftaufnehmer und ein Federelement umfasst. Das Federelement ist dabei direkt oder indirekt am Hammer befestigt. Eine Vorspanneinrichtung ist vorgesehen, um den Hammer gegen die Federkraft des Federelements vorzuspannen und freizugeben. Hierbei wird die Vorspanneinrichtung über eine Steuereinheit automatisch gesteuert. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin sehr kompakt aufgebaut, so dass auch ein mobiler Einsatz einfach möglich ist.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorspanneinrichtung eine Spule und einen Eisenkern, um das Federelement und/oder den Hammer anzuziehen bzw. wieder freizugeben. Dadurch kann die Vorspanneinrichtung sehr einfach und kompakt aufgebaut sein und eine hohe Betriebssicherheit aufweisen.
  • Um zu verhindern, dass der Hammer nach einem Schlag auf das Bauteil zu stark zurückfedert und nochmals auf das Bauteil schlägt, ist vorzugsweise ein Dämpfungselement zur Dämpfung der Schwingung des Hammers vorgesehen. Besonders bevorzugt ist das Dämpfungselement dabei zwischen dem Federelement und einem Halter angeordnet.
  • Vorzugsweise ist das Federelement eine Blattfeder aus einem Federstahl. Dadurch kann das Federelement einfach und kostengünstig bereitgestellt werden und weiterhin kann eine einfache Verbindung zwischen dem Hammer und dem Federelement ausgeführt werden, z.B. mittels Schweißen.
  • Um eine Kraftamplitude, mit welcher der Hammer auf das zu untersuchende Bauteil schlägt, zu ändern, ist vorzugsweise der Relativabstand zwischen der Vorspanneinrichtung und dem Federelement veränderbar ausgebildet. Dies kann auf einfache Weise durch eine Verstellbarkeit des Federelements relativ zur Vorspanneinrichtung oder der Vorspanneinrichtung relativ zum Federelement oder einer Verstellbarkeit sowohl des Federelements als auch der Vorspanneinrichtung erreicht werden.
  • Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse weiterhin eine Lasereinrichtung zur Aufnahme der Schwingung des Bauteils, wie z.B. ein Laser Scanning Vibrometer, der auf den Kraftimpuls triggert. Die Lasereinrichtung wird dabei vorzugsweise derart gesteuert, dass sie nach einem Schlag mit dem Hammer den Laserstrahl der Lasereinrichtung auf eine andere Stelle am Bauteil richtet. Hierdurch kann die experimentelle Modalanalyse vollautomatisch ausgeführt werden, wobei selbstverständlich auch Punkte, an denen die Schwingungen gemessen werden, mehrfach ausgemessen werden können und anschließend ein Mittelwert aus der Vielzahl der Messungen für diesen Punkt errechnet werden kann.
  • Vorzugsweise steuert die Steuereinheit zur Steuerung der Vorspanneinrichtung dabei auch die Lasereinrichtung und übernimmt besonders bevorzugt gleichzeitig auch noch die Auswertung.
  • Zeichnung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
  • 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung der experimentellen Modalanalyse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst die Vorrichtung 1 einen Hammer 2, ein Federelement 4 und eine Vorspanneinrichtung 5. Am Hammer 2 ist ein Kraftaufnehmer 3 angeordnet, um die Kraft, mit welcher der Hammer 2 auf das zu untersuchende Bauteil 14 schlägt, aufzunehmen. Der Hammerkopf des Hammers 2 ist aus einem Aluminiumrohr gebildet, wobei der Kraftaufnehmer 3 mittels eines auf das Aluminiumrohr aufgesteckten Kunststoffrohres am Außenumfang des Aluminiumrohres angeordnet ist. Der Hammer 2 ist mit dem Federelement 4 z.B. mittels Schweißen oder Verschrauben fest verbunden.
  • Die Vorspanneinrichtung 5 umfasst einen Halter 8, an welchem eine Spule 6 und ein darin befindlicher Eisenkern 7 angeordnet sind. Der Eisenkern 7 ist in Axialrichtung der Spule beweglich angeordnet, wie durch den Pfeil B in 1 angedeutet, um die Kraftamplitude, mit welcher der Hammerschlag ausgeführt wird, einzustellen. Durch Verschieben des Eisenkerns 7 wird der Abstand zwischen dem Eisenkern 7 und dem Federelement 4 verändert, so dass bei Anlegen eines Stroms der Hammer 2 über das Federelement 4 weiter bzw. weniger weit vorgespannt wird, wodurch die Kraftamplitude eingestellt werden kann. In 1 ist die Bewegung des Hammers 2 durch den Pfeil A angedeutet.
  • Die Strombeaufschlagung bzw. Stromunterbrechung der Spule 6 erfolgt mittels eines Steuergeräts 10.
  • Um ein Nachschwingen des Hammers 2 nach ausgeführtem Schlag auf das Bauteil 14 zu verhindern, ist weiterhin zwischen dem Federelement 4 und einem Halter 8 der Vorspanneinrichtung ein Dämpfungselement 9 angeordnet. Dieses Dämpfungselement 9 dämpft die Schwingung des Hammers 2 und verhindert somit ein unbeabsichtigtes nochmaliges Aufschlagen auf das zu untersuchende Bauteil 14. Dabei ist das Dämpfungselement derart angebracht, dass die Dämpfung nur beim Zurückschwingen wirkt. Am Halter 8 ist die Vorspanneinrichtung 5 axial verschiebbar angeordnet, wobei sie für den Betrieb fixiert wird, so dass sie sich nicht in Axialrichtung verschieben kann.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das Bauteil 14 in einer Halterung 11 eingespannt. Das dargestellte Bauteil 14 ist ein Gehäusebauteil. Die durch den Hammerschlag auf das Bauteil 14 ausgeübten Schwingungen werden mittels einer Lasereinrichtung 12, welche das Bauteil 14 mittels ihres Laserstrahls 13 abtastet, bestimmt. Hierbei steuert das Steuergerät 10 auch die Lasereinrichtung 12, welche auf den Kraftimpuls triggert, so dass die experimentelle Modalanalyse vollständig automatisch durchgeführt werden kann. Die Lasereinheit 12 kann dabei an beliebig vielen Punkten des Bauteils 14 die Schwingungen ermitteln. Eine noch schnellere Durchführung des Verfahrens wäre dabei denkbar, wenn mehrere Lasereinheiten 12 gleichzeitig verwendet werden.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sehr kompakt aufgebaut, so dass nicht nur ein stationärer Einsatz, sondern auch ein mobiler Einsatz möglich ist. Durch die Automatisierung der Durchführung können dabei die Kosten zur Durchführung der experimentellen Modalanalyse deutlich gesenkt werden. Im Vergleich mit der Shakeranregungsmethode tritt bei der erfindungsgemäßen Durchführung keine Beeinflussung der zu untersuchenden Struktur auf und es kann im Gegensatz zur Handhammermethode eine gleichbleibende Krafteinrichtung und Kraftamplitude über die gesamte Messung sichergestellt werden.
  • Die Kraftamplitude kann dabei einfach durch Änderung des Relativabstandes zwischen der Vorspanneinrichtung 5 und dem Federelement 4 ausgeführt werden. Es ist dabei ebenfalls denkbar, das Federelement 4 derart anzuordnen, dass es relativ zur Vorspanneinrichtung verschiebbar angeordnet ist.
  • Zur Durchführung der Messung ist das Federelement dann selbstverständlich wieder zu fixieren.
  • Es sei weiterhin angemerkt, dass das Federelement nicht einstückig ausgebildet sein muss, sondern auch mehrteilig ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann nur ein kleines Federelement mit einer daran angeordneten Eisenplatte vorgesehen werden, wobei der Elektromagnet insbesondere die Eisenplatte anzieht bzw. freigibt.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Durchführung einer experimentellen Modalanalyse an einem Bauteil (14), umfassend einen Hammer (2) mit einem daran angeordneten Kraftaufnehmer (3), ein Federelement, an welchem der Hammer (2) angeordnet ist, eine Vorspanneinrichtung (5), um den Hammer (2) gegen die Federkraft des Federelements (4) vorzuspannen und freizugeben, und eine Steuereinheit (10) zur Steuerung der Vorspanneinrichtung (5).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (5) eine Spule (6) und einen Eisenkern (7) umfasst, um das Federelement (4) und/oder den Hammer (2) anzuziehen bzw. freizugeben.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Dämpfungselement (9) zum Dämpfen einer Schwingung des Hammers, nachdem der Hammer einen Schlag auf ein zu prüfendes Bauteil (14) ausgeführt hat.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (9) zwischen dem Federelement (4) und einem Halter (8) für die Vorspanneinrichtung (5) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (4) eine Blattfeder ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der Vorspanneinrichtung (5) und dem Federelement (4) bzw. dem Hammer (2) veränderbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lasereinrichtung (12) zur Aufnahme der Schwingung des Bauteils (14).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (12) derart steuerbar ist, dass nach einem Schlag mit dem Hammer (2) auf das Bauteil (14) ein Laserstrahl (13) der Lasereinrichtung (12) auf eine andere Stelle am Bauteil (14) ausrichtbar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) zur Steuerung der Vorspanneinrichtung (5) auch die Lasereinrichtung (12) steuert.
  10. Verfahren zur automatischen Durchführung einer experimentellen Modalanalyse mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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