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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel im schematischen Querschnitt
dar.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.