DE1149094B - Dynamischer Schwingungsgeber - Google Patents

Dynamischer Schwingungsgeber

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DE1149094B
DE1149094B DEP17339A DEP0017339A DE1149094B DE 1149094 B DE1149094 B DE 1149094B DE P17339 A DEP17339 A DE P17339A DE P0017339 A DEP0017339 A DE P0017339A DE 1149094 B DE1149094 B DE 1149094B
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DE
Germany
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dynamic
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piston
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Pending
Application number
DEP17339A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Albert Stecker
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/18Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with coil systems moving upon intermittent or reversed energisation thereof by interaction with a fixed field system, e.g. permanent magnets

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Description

  • Dynamischer Schwingungsgeber Elektrodynamischer Schwingungsgeber zur Prüfung der Erschütterungsempfindlichkeit, der mechanischen Festigkeit oder dergleichen von Prüflingen, wie z. B. kleinen mechanischen Bauteilen oder kompletten Apparaten, sind bekannt. Sie bestehen aus einer Wechselstrom führenden Spule, die sich in einem konstanten Magnetfeld befindet und mit einem Antriebselement fest verbunden ist. Gegenüber anderen Schwingungsgebern haben sie den Vorteil eines größeren Frequenzumfanges der abgegebenen mechanischen Schwingungen. Für manche Zwecke der Überprüfung des Verhaltens bei periodischer Wechselkraft verschiedener Frequenzund Amplitudewird jedochz. B. ein linearer, weit über den Hörbereich hinausgehender Frequenzbereich etwa von 30 Hz bis 35 kHz verlangt, der mit den bisher bekannten Schwingungsgebern resonanz- und verzerrungsfrei nicht erreicht werden kann. Es ist nun festgestellt worden, daß hierzu Form, Material und Konstruktion des Spulenträgers eine wesentliche Rolle spielen.
  • Gemäß der Erfindung wird daher ein dynamischer Schwingungsgeber zur Erzeugung konstanter Wechselkraft niedriger bis sehr hoher Frequenz zur Untersuchung von kleinen mechanischen Bauteilen oder Apparaten auf ihr Schwingungsverhalten in Abhängigkeit von der Frequenz oder der Amplitude vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Antriebselement aus magnetisch indifferentem Material hoher Schallgeschwindigkeitskonstante und geringen spezifischen Gewichtes besteht und in Form eines Ringkolbens ausgebildet ist.
  • Neben dem Vorzug eines mehrere Dekaden umfassenden verzerrungsfreien Frequenz- und Amplitudenbereiches ohne Eigenresonanzstelle besitzt der neue Spulenträger noch die Eigenschaft, daß die Wechselkraft auch bei hohen Schwingungen unverfälscht übertragbar ist, so daß Resonanzerscheinungen eines Prüflings beispielsweise bei 40 kHz einwandfrei bestimmt werden können.
  • Der Mangel eines zu kleinen Frequenzbereiches besteht an sich bei allen bisher bekannten dynamischen Schwingungsgebern und hat seine Ursache darin, daß die Mechanik des Antriebsteils eine zu niedrige Eigenfrequenz hat. Von besonderem Interesse ist der Frequenzbereich des Hörschalls, etwa 30 bis 20 kHz bzw. sogar bis 40 kHz. In diesem Bereich gibt der neue Wechselkraftgeber eine konstante und frequenzunabhängige sowie urverzerrte Beschleunigungskraft ab.
  • Die Eigenfrequenz ist bei höchster Werkstoffschallgeschwindigkeit am größten. Da an den Antriebsteil des Schwingungsgebers zugleich aber hohe Anforderungen hinsichtlich seiner mechanischen Festigkeit gestellt werden müssen, um eine Halterung für den Prüfling anzubringen und diese sehr hohe Kräfte beim Einspannen des Prüflings wegen des notwendigen sehr hohen Anpreßdrucks aufnehmen muß, sind Werkstoffe empfehlenswert, die eine dem Stahl ähnliche Festigkeit aufweisen. Außerdem soll dieser Werkstoff für den Antriebsteil magnetisch indifferent sein. Als besonders günstig kann Duraluminium genannt werden, dessen Schallgeschwindigkeit etwa 5000 m pro Sekunde beträgt, das ein geringes spezifisches Gewicht hat und dabei hohe Festigkeitseigenschaften bei guter mechanischer Bearbeitungsmöglichkeit aufweist. Jedoch sind auch Magnesium, Keramik, Kunststoff oder dergleichen bzw. besondere Legierungen verwendbar, sofern sie die geschilderten Eigenschaften besitzen.
  • Die Wirksamkeit eines dynamischen Gebers ist am größten bei hoher Induktion im Luftspalt des Magneten. Der Luftspalt wird nur so groß gewählt, daß die zylindrische Spule mit dem Spulenträger gerade Aufnahme findet. Die einzelnen Windungen übertragen die Auslenkungskräfte auf einen Antriebsteil, dessen Schubkräfte auf den Rand einer Kolbenmembrane wirken, von der die gewünschten Kräfte außen abnehmbar sind. Form und Größe dieser Kolbenmembrane sind für die Eigenfrequenz der am äußeren Rand erregten Kreisplatte maßgebend. Im Interesse einer hohen Eigenfrequenz dieses Antriebsteils wäre ein kleiner Durchmesser bei großer Plattendicke erwünscht. Diese Forderung steht einer Forderung nach möglichst großer Feldstärke des Permanentmagneten entgegen, da die Lagerungsachse des Antriebsteiles den Querschnitt des Innenpols des Magneten stark verringert. Zwischen den beiden Forderungen ist ein Kompromiß zu schließen.
  • Die Lagerung und Halterung des Antriebselementes sollen so ausgebildet sein, daß einmal jede Eigenfrequent unterhalb 40 kHz vermieden wird und andererseits nur Bewegungen in axialer Richtung auftreten.
  • Darüber hinaus muß sie in der Lage sein, die erheblichen Querkräfte, die bei der Einspannung eines Prüflings auftreten können, aufzunehmen. Gemäß der Erfindung ist daher ein Gleitlager gewählt, das sorgfältig eingeschliffen ist. Die Halterung enthält keinerlei federnde Elemente und gewährleistet entsprechend der Genauigkeit des Lagers eine definierte axiale Bewegung und Kraftrichtung.
  • Für exakte Messungen bei derartigen Schwingungsgebern ist es ferner notwendig, zu wissen, ob und bis zu welcher Frequenz der Prüfling- eine störungsfreie, d. h. konstante Beschleunigung erhält und diese nicht durch fehlerhafte mechanische Kupplung zwischen Geber und Prüfling verändert wird. Dieser Forderung nach Kontrollmöglichkeit ist bei dem neuen Schwingungsgeber dadurch nachgekommen, daß unmittelbar hinter der Abtriebskolbenplatte ein sehr kleiner Schwingungsaufnehmer, vorzugsweise ein Barium-Titanat-Aufnehmer, im kurzen. Achsstummel angeordnet ist. Die von ihm abgegebene Spannung gibt den Druckverlauf frequent-, phasen- und amplitudenrichtig wieder und kann nach Verstärkung im Oszillographen beobachtet, kontrolliert und gemessen werden.
  • Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel im schematischen Querschnitt dar.
  • In einem Gehäuse 1 ist ein Permanentmagnet 2 untergebracht, zwischen dessen ringförmigem Innenpolschuh 3 und Außenpolschuh 4 ein Ringkolben 5 mit der Erregerwicklung 6 sich axial bewegt und in Gleitlagern 7 und 8 gelagert ist. Die aus Bronzematerial bestehenden Gleitlager 7 und 8 erleichtern durch weitgehende Ausscheidung von Querkraftkomponenten eine definierte Bewegung des Ringkolbens derart, daß diese nur in einer Richtung erfolgen kann, was für den neuen Schwingungsgeber, wie vorher beschrieben, von wesentlicher Bedeutung ist. Ferner sind noch Kunststoff- oder Gummipolster 9 und 10 vorgesehen, die zur Einstellung der Mittel- und Null-Lage sowie zur Anschlagdämpfung bei zu großen Amplituden dienen. Zur genauen Zentrierung des Innenpoles mit Lager 7 dient ein Zentrierring 11, zur Zentrierung des Lagers 8 dient der Zentrierring 26.
  • Der vorzugsweise aus Duraluminium oder Magnesium bestehende Ringkolben besitzt im Inneren einen Achsstumpf 12, dessen Querschnitt so groß gewählt worden ist, daß die Erregung an der die Schwingung abgebenden Stelle und am Ort des Schwingungsaufnehmers gleich ist. Duraluminium besitzt für den in Rede stehenden Zweck noch zusätzlich den Vorteil einer Wirbelstromdämpfung.
  • In einer Ausnehmung 14 an der Spitze des Achsstumpfs 12 ist der Schwingungsmeßaufnehmer angebracht, der aus der Masse 19', einem Barium-Titanat-Plättchen 16 und der Elektrode 17 besteht. In an sich bekannter Weise dient er auf Grund des piezoelektrischen Effekts zur Anzeige und Messung der vom Ringkolben 5 abgegebenen mechanischen Schwingungen. Die Keramikdurchführung 15 ist zur Isolation vorgesehen. Das System wird vom Gewindering 13 unter hohem Druck zusammengepreßt. Die Zuleitung 18 wird durch eine Bohrung 19 des Permanentmagneten an eine Buchse 20 geführt, an die ein geeichtes Röhrenvoltmeter bzw. ein Oszillograph anschließbar ist. Ein Schwingungsgeber ist, wie bereits erwähnt, für exakte Messungen nur brauchbar, wenn er eine unverzerrte Wechselkraft auf den Prüfling abgeben kann, deren Kraftverlauf streng sinusförmig ist. Außerdem ist es wünschenswert, daß die Amplitude der Wechselkraft im ganzen Frequenzbereich konstant bleibt und die Wechselkräfte unverzerrt und unverändert auf den Prüfling übertragbar sind, was mit steigender Frequenz immer kritischer wird. Der zu einer engen Kopplung notwendige Anpreßdruck des Prüflings an den Ringkolben ist daher, wie erwähnt, ein weiterer wesentlicher Faktor für einen einwandfreien Schwingungsgeber. Auf der anderen Seite soll ein Austausch der Prüflinge nicht unnötig viel Zeit kosten. In der Stirnseite 5' des Ringkolbens 5 ist daher eine Zentrierfassung 21 mit einem geschlitzten Zylinderkonus 22 und einer tlberwurfmutter 23 zur Aufnahme des Prüflings vorgesehen. Der für den Schwingungsgeber notwendige Erregerstrom kann über die Buchse 28 dem Gehäuse 1 zugeführt werden. Soll ein Prüfling quer zur Achse des Schwingungsgebers erregt werden, empfiehlt es sich, ein Zwischenspannstück 25 zu verwenden, an dem der Prüfling befestigt werden kann.
  • Die zylindrische Spule 6 im Magnetfeld kann durch von außen bei 24 zugeführte Preßluft gekühlt werden, die so zugeführt und strömungsgerichtet ist, daß sich zwei gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Luftströmungen einstellen und ihre Wirkungen auf den Antriebszylinder sich aufheben.
  • Mit einer auf dem Innenpol des Magneten angeordneten zusätzlichen Kompensationswicklung 27, die elektrisch gegen die Antriebswicklung und mit dieser in Serie geschaltet ist, werden die Verzerrung des sinusförmigen Kraftverlaufs der mechanischen Wechselkraft und der Innenwiderstand zum Zwecke der zusätzlichen Dämpfung des Antriebszylinders noch weiter vermindert, so daß Frequenzen bis zu 40 kHz einwandfrei verarbeitet werden können.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Dynamischer Schwingungsgeber mit einer sich in einem Magnetfeld befindlichen, Wechselstrom führenden Spule und einem mit dieser Spule fest gekoppelten Antriebselement zur Erzeugung konstanter Wechselkraft niedriger bis sehr hoher Frequenz zur Untersuchung von kleinen mechanischen Bauteilen oder Apparaten auf ihr Schwingungsverhalten in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder der Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement aus magnetisch indifferentem Material hoher Schallgeschwindigkeitskonstante und geringen spezifischen Gewichtes besteht und in Form eines Ringkolbens ausgebildet ist.
  2. 2. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung und Halterung des Antriebselementes so ausgebildet sind, daß Bewegungen nur in axialer Richtung auftreten.
  3. 3. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lager für die definierte Bewegung des Antriebsteils in axialer Richtung ein Gleitlager vorgesehen ist und die Mittellageeinstellung sowie die Hubbegrenzung des Antriebsteils durch resonanzfreie Kunststoffpolster erreicht ist.
  4. 4. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Innenpol des Magneten eine zusätzliche Kompensationswicklung angeordnet ist, die elektrisch gegen die Antriebswicklung und mit dieser in Serie geschaltet ist.
  5. 5. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1 oder einem der anderen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsteil einen Antriebskolben besitzt, auf dem der Prüfling über eine Zentnerfassung in einer Kolbenplatte aufnehmbar ist, die im Meß- und Prüfvorgang massiv bleibt.
  6. 6. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für den AntriebsteiimitSpulenzylinderDuraluminium,-Magnesium, Alun-#nium-Oxyd, Keramik, Kunststoff od. dgl. ist.
  7. 7. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ' im Antriebsteil, vorzugsweise im Achsstummel, ein Schwingungsaufnehmer angeordnet ist, bei dem die mechanische Wechselkraft am Kolben in elektrische Wechselspannung übergeführt wird und zur Messung und Kontrolle des Gebers sowie der mechanischen Kupplung auf den Prüfling dient. B.
  8. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer ein Barium-Titanat-System ist.
  9. 9. Dynamischer Schwingungsgeber nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Spule im Magnetfeld durch von außen zugeführte Preßluft kühlbar ist, die strömungsgerichtet ist, wobei sich zwei gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Luftströmungen einstellen, die sich in ihren Wirkungen auf den Antriebszylinder aufheben. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 328 0220; USA: Patentschriften Nr. 2 599 036, 2 586 881, 2219348.
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