DE19820322A1 - Servohydraulische Resonanzprüfmaschine - Google Patents

Abstract

Eine servohydraulische Resonanzprüfmaschine weist in einem Belastungsrahmen (1) einen hydraulischen Hauptzylinder (7) auf, dessen Kolbenstange (5) mit einer eingespannten Probe (2) verbunden ist. Ein außerhalb des Belastungsrahmens (1) angeordneter hydraulischer Erregerzylinder (9) ist zu dem Hauptzylinder (7) hydraulisch parallelgeschaltet. Seine Kolbenstange (12) ist mit einer Zusatzmasse (13) verbunden. Zur Veränderung, insbesondere Herabsetzung der Eigenfrequenz des Systems ist die Zusatzmasse (13) leicht auswechselbar. Die Zusatzmasse (13) kann einen veränderbaren Aufnahmeraum zur Aufnahme einer pumpbaren Substanz aufweisen. Damit kann die Größe der Zusatzmasse (13) kontinuierlich auch im Schwingbetrieb verändert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine servohydraulische Resonanzprüfma­ schine mit einem Belastungsrahmen zur Aufnahme einer mit einer Kraftmeßeinrichtung verbundenen Probe, die mit einer Kolbenstange eines Hauptkolbens eines hydraulischen Hauptzylinders verbunden ist, mit einem einen Erregerkolben mit einer Kolbenstange aufweisenden hydraulischen Erregerzy­ linder, mit einer mit den schwingenden Antriebsteilen verbundenen Zusatzmasse und mit einem servohydraulischen Ansteuerventil.

Servohydraulische Resonanzprüfmaschinen stellen einen hydraulischen druckübersetzenden Resonanzantrieb dar, der zur Erzeugung und Beaufschlagung von Schwingkräften, Schwingwe­ gen, Schwinggeschwindigkeiten und Schwingbeschleunigungen an mechanischen Strukturen aller Art, wie Fahrzeugteilen, Bauwerksteilen, Prüfmaschinen, Kraftaufnehmern, Beschleuni­ gungsaufnehmern, angewendet wird.

Derartige Resonanzprüfmaschinen sind bekannt (F. Klinger, H. Henke "20-MN-Universalprüfmaschine", Zeitschrift "Materialprüfung" 32 (1990) 7-8, S. 207-213). Mit den dort beschriebenen Einzylinder- und Zweizylinder- Resonanzprüfmaschinen können zwar hydraulisch erzeugte Resonanzschwingungen in mechanische Strukturen eingeleitet werden, aber die Resonanzfrequenzen sind nur durch sehr große und schwer handhabbare Zusatzmassen im Belastungsrahmen veränderbar. Bei Kräften im Meganewton-Bereich müssen Zusatzmassen von einigen Tonnen zwischen den Einspannungen der Proben in den Maschinenrahmen eingesetzt und ausgewech­ selt werden, um eine für die jeweilige Probe geeignete Prüffrequenz zu erreichen. Da die Resonanzfrequenz des Hauptzylinders im Bereich von 250-400 Hz liegt, müssen sehr große Massen zur Senkung der Eigenfrequenz des Systems verwendet werden.

Um die Verwendung solcher großen Zusatzmassen, die auch entsprechend große Gegenmassen und hierfür ausgelegte Fundamente erfordern, zu vermeiden, wird bei einer in der genannten Veröffentlichung beschriebenen und unter Bild 2C dargestellten servohydraulischen Resonanzprüfmaschine vorgesehen, anstelle der direkt an der Kolbenstange des Hauptkolbens angebrachten Zusatzmasse hydraulisch übersetzte, schnellschwingende Ölmassen zu verwenden. Diese schwingenden Ölmassen sind über als Schwingrohre bezeichnete hydraulische Leitungen mit dem Hauptzylinder verbunden. Die in den verhältnismäßig langen, gebogenen Schwingrohren auftretenden großen Strömungsgeschwindigkeiten führen zu erheblichen Reibungsverlusten. Dies bedingt eine gegenüber der Verwendung von mechanischen Zusatzmassen wesentlich niedrigeren Resonanzüberhöhung; außerdem muß eine zusätzliche Kühlung wegen der auftretenden Reibungswärme vorgesehen werden, da die Hydraulikflüssigkeit nicht beliebig hoch erwärmt werden darf, da sie sich anderenfalls zersetzt.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Resonanzprüfmaschinen besteht in der hohen Lärmbelastung bei hohen Resonanzfrequen­ zen, so daß diese Einzylinder- und Zweizylinder- Resonanzprüfmaschinen nur in besonders isolierten Schall­ schutzkabinen betrieben werden können.

Außerdem können Materialproben und Bauteile mit höheren Dämpfungsfaktoren bei den hohen Eigenfrequenzen der bekannten Resonanzprüfmaschinen nicht geprüft werden, da sie dann zuviel Eigenwärme entwickeln.

Darüber hinaus haben alle bekannten servohydraulischen Resonanzprüfmaschinen den Nachteil, daß die Resonanzfrequenz nicht kontinuierlich während des Prüfbetriebs beliebig verstellt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine servohydraulische Resonanzprüfmaschine der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß ihre Eigenfrequenz in einfacher Weise und insbesondere ohne die Verwendung von verhältnismäßig großen Zusatzmassen herabgesetzt werden kann, ohne bei der Verwendung von zusätzlichen schwingenden Ölmassen auftreten­ den Reibungsverluste in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Erregerzylinder zu dem Hauptzylinder hydraulisch parallel geschaltet ist und daß die Zusatzmasse mit der Kolbenstange des Erregerzylinders verbunden ist.

Die Maßnahme, die Zusatzmasse mit der Kolbenstange des Erregerzylinders zu verbinden, hat gegenüber der bekannten Verbindung der Zusatzmasse mit der Kolbenstange des Hauptzylinders die wesentlichen Vorteile, daß die Zusatzmasse außerhalb des Belastungsrahmens der Resonanzprüfmaschine gut zugänglich ist und deshalb leicht und in einfacher Weise ausgewechselt werden kann. Die Eigenfrequenz wird im wesentlichen durch die Zusatzmasse und das Federverhalten der Hydraulikflüssigkeit bestimmt und kann deshalb in einfacher Weise auf die erwünschte niedrige Frequenz eingestellt werden. Diese Erregerfrequenz wird dem Hauptzylinder aufgeprägt, und zwar unabhängig von der wesentlich höher liegenden Eigenfrequenz der eingespannten, mit dem Hauptkol­ ben verbundenen Probe.

Vorzugsweise ist der Erregerzylinder außerhalb des Bela­ stungsrahmens angeordnet und auf diese Weise gut zugänglich, insbesondere zum Auswechseln der Zusatzmasse.

Das servohydraulische Ansteuerventil kann hydraulisch an den Erregerzylinder oder an den Hauptzylinder angeschlossen sein.

Vorzugsweise ist die Kolbenstange des Erregerzylinders mit einer Feder verbunden. Die dadurch bewirkte Kraftrückführung verhindert ein Wegdriften des Erregerkolbens und führt dazu, daß er um eine definierte Ausgangsmittellage schwingt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die wirksamen Kolbenflächen des Erregerzylin­ ders kleiner als die wirksamen Kolbenflächen des Hauptzylin­ ders sind. Dadurch wird eine Druckübersetzung zwischen dem Erregerzylinder und dem Hauptzylinder erreicht. Die Abmessungen und damit der Bauaufwand und der Platzbedarf des Erregerzylinders sind gering. Statt dessen können die wirksamen Kolbenflächen des Erregerzylinders auch gleich oder größer als die des Hauptzylinders sein.

Um bei einer servohydraulischen Resonanzprüfmaschine der eingangs genannten Gattung, insbesondere nach Patentanspruch 1, eine auch im Prüfbetrieb durchführbare kontinuierliche Veränderung der Resonanzfrequenz zu ermöglichen, ist in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen, daß die Zusatzmasse einen eine pumpbare Substanz enthaltenden Aufnahmeraum mit veränderbarem Volumen aufweist. Durch Zupumpen oder Abpumpen dieser Substanz wird die Zusatzmasse und damit die Eigenfrequenz verändert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedan­ kens ist vorgesehen, daß die Zusatzmasse einen den Aufnahme­ raum bildenden Aufnahmezylinder aufweist, dessen Kolben federbelastet ist und der über eine Leitung mit einer Zuführ- und Abführeinrichtung für die pumpbare Substanz verbunden ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Leitung um eine im Betrieb mit der Zusatzmasse verbunden bleibender Schlauchlei­ tung. Dadurch wird eine kontinuierliche Veränderung der Zusatzmasse bei ununterbrochenem Prüfbetrieb ermöglicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellungsweise im Schnitt eine servohydraulische Resonanzprüfmaschine mit einem Hauptzylin­ der, einem Erregerzylinder und einem hydraulisch an den Erregerzylinder angeschlossenen Ansteuerventil,

Fig. 2 eine demgegenüber abgewandelte Ausführungsform einer Resonanzprüfmaschine,

Fig. 3 in schematischer Darstellungsweise im Schnitt eine servohydraulische Resonanzprüfmaschine mit einem Hauptzylin­ der, einem Erregerzylinder, mit einem hydraulischen Antriebszylinder, an den das Ansteuerventil angeschlossen ist,

Fig. 4 in schematischer Darstellungsweise im Schnitt eine servohydraulische Resonanzprüfmaschine mit einem Hauptzylin­ der, einem Erregerzylinder und einen hydraulischen Zusatzzy­ linder,

Fig. 5 in einer Teildarstellung eine mit einem Erregerzylin­ der einer Resonanzprüfmaschine nach Fig. 1, 2, 3 oder 4 verbundene, veränderbare Zusatzmasse.

Die in Fig. 1 dargestellte servohydraulische Resonanzprüfma­ schine weist einen Belastungsrahmen 1 auf, in dem eine Probe 2 zwischen einer mit dem Belastungsrahmen 1 verbundenen Kraftmeßeinrichtung 3 und einer Einspannung 4 an einer Kolbenstange 5 eines Hauptkolbens 6 aufgenommen ist. Der Hauptkolben 6 bildet einen Teil eines hydraulischen Hauptzylinders 7. Der Hauptkolben 6 weist gleiche obere und untere wirksame Kolbenflächen 6a bzw. 6b auf und teilt einen Zylinderraum 8 des Hauptzylinders 7 in einen oberen Zylinderraum 8a und einen unteren Zylinderraum 8b.

Außerhalb des Belastungsrahmens 1 ist ein Erregerzylinder 9 angeordnet. Sein Zylinderraum 10 wird durch einen Erregerzy­ linder 11 in einen oberen Zylinderraum 10a und einen unteren Zylinderraum 10b unterteilt. Die obere wirksame Kolbenfläche 11a ist ebenso groß wie die untere wirksame Kolbenfläche 11b des Erregerkolbens 11.

Eine mit dem Erregerkolben 11 verbundene Kolbenstange 12 ist aus dem Erregerzylinder 9 herausgeführt und trägt eine Zusatzmasse 13. Der Erregerkolben 11 wird über seine Kolbenstange 12 durch eine Feder 14 belastet.

Der Erregerzylinder 9 ist zu dem Hauptzylinder 7 hydraulisch parallel geschaltet. Hierzu ist der obere Zylinderraum 8a des Hauptzylinders 7 über eine zu- und abschaltbare Verbindungs­ leitung 15 mit dem oberen Zylinderraum 10a des Erregerzylin­ ders 9 verbunden. Der untere Zylinderraum 8b des Hauptzylin­ ders 7 ist über eine zu- und abschaltbare Verbindungsleitung 16 mit dem unteren Zylinderraum 10b des Erregerzylinders 9 verbunden. Ein servohydraulisches Ansteuerventil 17 ist über Leitungen 18 und 19 mit dem Zylinderraum 10 des Erregerzylin­ ders 9 verbunden. Funktion und Aufbau solcher servohydrauli­ scher Ansteuerventile sind bekannt. Das Ansteuerventil 17 wird so angeregt, daß durch ständige Erhöhung der Frequenz mit einem (nicht dargestellten) variabel einstellbaren Funktionsgenerator vorzugsweise in Sinuserregung die Resonanzfrequenz des Systems gesucht wird. Sie wird gefunden, wenn zwischen dem elektrischen Ventilstromeingang des Ansteuerventils 17 und dem Kraftsignal-Ausgang der Kraft­ meßeinrichtung 3 sich eine Phasenverschiebung von 180° einstellt. Damit der Erregerkolben 11 um eine definierte Ausgangsmittellage schwingt und ein Wegdriften verhindert wird, wird er mittels der Feder 14 kraftrückgeführt. Eine erwünschte Vorlast an der Probe 2 wird durch Vorspannen der Feder 14 erreicht, so daß erst ein Differenzdruck am Erregerkolben 11 aufgebracht werden muß, um die Federvorspan­ nung der Feder 14 zu überwinden, wobei sich dieser Differenz­ druck auf den Hauptkolben 6 fortsetzt.

Eine Veränderung der Resonanzfrequenz kann durch eine Veränderung der Zusatzmasse 13 und/oder durch eine Verände­ rung des Kompressionsvolumens der hydraulischen Flüssigkeit erreicht werden. In Fig. 2 ist gezeigt, daß die Flüssigkeits­ menge in den hydraulischen Verbindungsleitungen 15 und 16 zwischen dem Hauptzylinder 7 und dem Erregerzylinder 9 dadurch verändert werden kann, daß an die Verbindungsleitun­ gen 15 und 16 hydraulische Zylinder 20 bzw. 21 angeschlossen werden, deren Füllmenge veränderbar ist, um das Kompressions­ volumen zu ändern. Durch Verstellen der Kolben 22 bzw. 23 der Zylinder 20 bzw. 21 wird im Zusammenwirken mit dem Ansteuer­ ventil 17 das als Feder wirkende Kompressionsvolumen der hydraulischen Flüssigkeit und somit die Eigenfrequenz des Systems verändert.

In Fig. 2 ist außerdem mit strichpunktierten Linien angedeutet, daß anstelle des mit dem Erregerzylinder 9 verbundenen Ansteuerventils 17 auch ein unmittelbar mit dem Hauptzylinder 7 hydraulisch verbundenes Ansteuerventil 17' vorgesehen werden kann.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer servohydraulischen Resonanzprüfmaschine unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die Kolbenstange 12 des Erregerzylinders 9 an ihrem zur Zusatzmasse 13 entgegengesetzten Ende mit einem Antriebskol­ ben 24 eines hydraulischen Antriebszylinders 25 verbunden ist, an den das servohydraulische Ansteuerventil 17 angeschlossen ist. Die Kolbenfläche des Antriebskolbens 24 weisen gleiche Größe auf wie die Kolbenflächen 11a und 11b des Erregerkolbens 11. Die Differenzdrücke, die auf den Antriebskolben 24 wirken, werden somit unmittelbar auf die Zylinderräume 10a und 10b des Erregerzylinders 9 übertragen. Die Resonanzregelung erfolgt in gleicher Weise wie bei der Ausführung nach Fig. 1 beschrieben.

In Fig. 4 ist gezeigt, daß zu dem Hauptzylinder 7 und dem Erregerzylinder 9 ein hydraulischer Zusatzzylinder 26 hydraulisch parallel geschaltet sein kann. Der Kolben 27 des Zusatzzylinders ist über seine Kolbenstange 28 mit einer weiteren Zusatzmasse 13' verbunden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ansteuerventil 17 hydraulisch mit dem Zusatzzylinder 26 verbunden. Die wirksamen Kolbenflächen des Kolbens 27 sind geringer als die des Erregerkolbens 11.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung ermöglicht es, unter Verwendung besonders geringer Zusatzmassen 13' die Eigenfre­ quenzen zu ändern.

Fig. 5 zeigt Teile einer servohydraulischen Resonanzprüfma­ schine, bei der die Veränderung der Resonanzfrequenz durch Variation pumpbarer Zusatzschwingmassen während des Schwingvorgangs erreicht wird. Des kann sich dabei beispiels­ weise um eine Resonanzprüfmaschine der in Fig. 1 dargestell­ ten Bauart handeln, bei der eine Variation der Zusatzmasse 13 vorgenommen wird, die mit der Kolbenstange 12 des Erregerzy­ linders 9 verbunden ist. In gleicher Weise kann aber auch die Zusatzmasse einer herkömmlichen Resonanzprüfmaschine ausgeführt werden, ggf. auch ohne einen hydraulischen Erregerzylinder, wobei die Zusatzmasse mit der Kolbenstange des Hauptzylinders verbunden ist.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Zusatzmasse 13 einen Aufnahmezylinder 29 auf, in dem ein Kolben 30 beweglich ist, der durch eine Druckfeder 31 vorgespannt ist. Die den Kolben 30 aufnehmende Zylinderkammer 32 des Aufnahmezylinders 29 bildet einen Aufnahmeraum für eine pumpbare Substanz, beispielsweise Öl oder Fett mit eingelagerten Feststoffen hohen spezifischen Gewichts, beispielsweise Molybdändisulfit, Molybdän, Wolfram, Blei o. dgl.

Die Zylinderkammer 32 ist über eine flexible Schlauchleitung 33, die auch im Schwingbetrieb angeschlossen bleibt, mit einem Zylinder 34 verbunden, dessen Zylinderkammer 35 auf diese Weise über die Schlauchleitung 33 mit der Zylinderkam­ mer 32 verbunden ist. Aus der Zylinderkammer 35 wird zur Erhöhung der Zusatzmasse in die Zylinderkammer 29 die pumpbare Substanz, beispielsweise ein mit Schwermetall angereichert es pumpbares Fett gegen die Vorspannung der Feder 31 gepumpt, indem Druck auf einen Kolben 36 ausgeübt wird, der im Zylinderraum 35 längsbeweglich geführt ist. Hierzu wird über ein Schaltventil 37 eine Pumpe 38 mit dem Zylinderraum 39 an der Rückseite des Kolbens 36 verbunden. Soll eine Verringerung der Masse vorgenommen werden, so wird der Zylinderraum 39 durch das Schaltventil 37 mit einem in einen Tank 40 mündenden Rücklauf verbunden. Die Feder 31 drückt die pumpbare Substanz aus der Zylinderkammer 32 über die Schlauchleitung 33 in den Zylinderraum 35 zurück. Eine Massenerhöhung der Zusatzmasse 13 setzt die Eigenfrequenz des Systems herunter; eine Massenverringerung erhöht die Eigenfrequenz.

An der Kolbenstange 12 des außerhalb des Belastungsrahmens 1 angeordneten Erregerzylinders 9 und/oder an der Kolbenstange 28 des Zusatzzylinders 26 kann - vorzugsweise an der Oberseite der daran angebrachten Zusatzmasse 13 bzw. 13' - ein zu schüttelnder, zu rüttelnder und/oder zu beschleunigen­ der Prüfling angebracht werden.

Die bei den dargestellten Ausführungsbeispielen als Druckfeder dargestellten Federn 14 am Erregerzylinder 9 oder am weiteren Zylinder 26 können auch durch ein unter Druck stehendes Gas gebildet werden.

Claims (14)

1. Servohydraulische Resonanzprüfmaschine mit einem Belastungsrahmen zur Aufnahme einer mit einer Kraftmeßein­ richtung verbundenen Probe, die mit einer Kolbenstange eines Hauptkolbens eines hydraulischen Hauptzylinders verbunden ist, mit einem einen Erregerkolben mit einer Kolbenstange aufweisenden hydraulischen Erregerzylinder, mit einer mit den schwingenden Antriebsteilen verbundenen Zusatzmasse und mit einem servohydraulischen Ansteuerventil, dadurch gekennzeich­ net, daß der Erregerzylinder (9 bzw. 26) zu dem Hauptzylinder (7) hydraulisch parallel geschaltet ist und daß die Zusatzmasse (13, 13') mit der Kolbenstange (12, 28) des Erregerzylinders (9, 26) verbunden ist.

2. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Erregerzylinder (9 bzw. 26) außerhalb des Belastungsrahmens (1) angeordnet ist.

3. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das servohydraulische Ansteuerventil hydraulisch an den Erregerzylinder (9 bzw. 26) angeschlossen ist.

4. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das servohydraulische Ansteuerventil (17') an den Hauptzylinder (7) angeschlossen ist.

5. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolbenstange (12) des Erregerzylinders (9) mit einer Feder (14) verbunden ist.

6. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die wirksamen Kolbenflächen (11a, 11b) des Erregerzylinders (9) kleiner als die wirksamen Kolbenflächen (6a, 6b) des Hauptzylinders (7) sind.

7. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die wirksamen Kolbenflächen (11a, 11b) des Erregerzylinders (9) gleich oder größer als die wirksamen Kolbenflächen (6a, 6b) des Hauptzylinders (7) sind.

8. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolbenstange (12) des Erregerzylinders (9) mit einem Antriebskolben (24) eines hydraulischen Antriebszylin­ ders (25) verbunden ist, an den das servohydraulische Ansteuerventil (17) angeschlossen ist.

9. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zu dem Hauptzylinder (7) und dem Erregerzylinder (9) ein hydraulischer Zusatzzylinder (26) als weiterer Erregerzy­ linder hydraulisch parallgeschaltet ist.

10. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (27) des Zusatzzylinders (26) über seine Kolbenstange (28) mit einer weiteren Zusatzmasse (13') verbunden ist.

11. Resonanzprüfmaschine nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsmenge in den hydraulischen Vebindungsleitungen (15, 16) zwischen dem Hauptzylinder (7) und dem Erregerzylinder (9) veränderbar ist.

12. Servohydraulische Resonanzprüfmaschine mit einem Belastungsrahmen zur Aufnahme einer mit einer Kraftmeßein­ richtung verbundenen Probe, die mit einer Kolbenstange eines Hauptkolbens eines hydraulischen Hauptzylinders verbunden ist, mit einer mit den schwingenden Antriebsteilen verbunde­ nen Zusatzmasse und mit einem servohydraulischen Ansteuerven­ til, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmasse (13) einen eine pumpbare Substanz enthaltenden Aufnahmeraum (32) mit veränderbarem Volumen aufweist.

13. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzmasse (13) einen den Aufnahmeraum (32) bildenden Aufnahmezylinder (29) aufweist, dessen Kolben (30) federbelastet ist und der über eine Leitung (33) mit einer Zuführ- und Abführeinrichtung für die pumpbare Substanz verbunden ist.

14. Resonanzprüfmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitung eine im Betrieb mit der Zusatzmasse (13) verbunden bleibende Schlauchleitung (33) ist.