-
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.