DE2939923A1 - Werkstoffpruefmaschine mit piezoelektrischem antrieb - Google Patents

Werkstoffpruefmaschine mit piezoelektrischem antrieb

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Description

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WerkstoffPrüfmaschine mit piezoelektrischem Antrieb
Die Erfindung betrifft eine Werkstoffprüfmaschine mit einem Prüfrahmen sowie Aufnahmemitteln und einer Belastungseinrichtung für den Prüfling.
Bei Material- oder WerkstoffPrüfmaschinen sind mechanische, elektrodynamische und hydraulische Antriebe bekannt. Alle diese bekannten Antriebe sind in ihrer Frequenz begrenzt auf einen Bereich von einigen hundert Hz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit geringem konstruktivem Aufwand einen Antrieb für eine WerkstoffPrüfmaschine, insbesondere für eine in Resonanz betriebene Prüfmaschine zu schaffen, der hohe Prüffrequenzen bis in den Kilohertz-Bereich zuläßt und der eine einfache Frequenzregelung ermöglicht, wobei vorgegebene Kraft- und/oder Wegsollwerte mit hoher Genauigkeit eingehalten werden sollen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Die Ansprüche enthalten auch Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich im wesentlichen aus der Aufgabenstellung. Nach der Erfindung werden piezoelektrische Elemente in geeigneter Ausbildung und Anordnung als Betätigungseinrichtung, d.h. zur Erzeugung von Prüf- oder Erregerkräften für Prüfmaschinen eingesetzt. Die Verwendung von piezoelektrischen Antriebselementen ist insbesondere bei Resonanzprüfmaschinen vorteilhaft, da bei solchen Prüfmaschinen nur geringe Erregerwege erforderlich sind, wenn geeignete Erregeranordnungen vorgesehen werden. Mit der erfindungsgemäßen Prüfmaschine können auf Materialproben und Bauteile Kräfte, Beschleunigungen, Wege und Geschwindigkeiten
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im Frequenzbereich bis zu einigen Kilohertz mit besonders hoher Genauigkeit entsprechend vorgegebenen Sollwerten aufgebracht werden und zwar sowohl bei Resonanz- als auch bei Nachfahrbetrieb.
Der piezoelektrische Effekt ist in der Technik bekannt. Wenn man bestimmte Kristalle durch mechanische Beanspruchung verformt, werden elektrische Ladungen auf ihnen erzeugt. Umgekehrt ändern die gleichen Materialien unter dem Einfluß elektrischer Ladungen ihre Abmessungen und können dadurch hohe Kräfte ausüben. Kristalle oder piezoelektrische Elemente, bei denen solche Erscheinungen austreten, sind z.B. Quarzkristalle oder synthetisch hergestellte Keramikelemente (Metalloxyde) .
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Resonanzprüfmaschine mit piezoelektrischem Antrieb.
Die Prüfmaschine weist eine Gegenmasse 1, einen an der Gegenmasse angeordneten Prüfrahmen 2, 3 und ein Querjoch 4 auf. Die Gegenmasse 1 ist über elastische Elemente 5, 6 und gegebenenfalls Dämpfungselemente 7, 8 auf dem Fundament abgestützt .
Ein Prüfling 11 ist über eine Einspannvorrichtung 12 an der Gegenmasse Λ befestigt. Die andere Seite des Prüflings ist über eine weitere Einspannvorrichtung 13 mit einer Schwingmasse 14 verbunden. Die Schwingmasse 14 ist über eine verstellbare Schwingfeder 15, die in der Zeichnung in Stabform dargestellt ist, an eine Belastungs- oder Erregereinrichtung 21 angeschlossen.
Die Schwingfeder 15 dient zur Einleitung der Erregung in das im wesentlichen durch die Probe 11 und die Schwingmasse 14 sowie die Schwingfeder 15 selbst und gegebenenfalls weitere Teile der Prüfmaschine gebildete schwingende System. Durch die
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Verwendung einer Schwingfeder ist eine besonders vorteilhafte und wirtschaftliche Erregung des schwingenden Systems möglich, da bei geeigneter Federauslegung nur kleine Erregerwege erforderlich sind (Fußpunkterregung). Die Erregung kann auch ohne zwischengeschaltete Schwingfeder direkt in das schwingende System eingeleitet werden (Massenerregung). Weiterhin ist es möglich, die Schwingfeder 15 in nicht dargestellter Weise auf Zug oder Druck vorzuspannen und dadurch bei Resonanzbetrieb eine zusätzliche Vorbelastung (Mittellast} auf die Probe 11 aufzubringen.
Zum Nachfahren von vorgegebenen Sollwerten, Belastungsfunktionen oder Belastungszyklen bei der Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen im sogenannten Nachfahrbetrieb, kann die Belastungs- oder Erregereinrichtung 21 über geeignete Verbindungselemente bzw. Einspannvorrichtungen auch direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung einer Schwingmasse und einer Schwingfeder, mit der Probe 11 verbunden werden.
Die Erregereinrichtung 21 weist eine Anzahl von hintereinander geschalteten piezoelektrischen Elementen 22 auf. Die piezoelektrischen Elemente können z.B. als Scheiben ausgebildet und aufeinander gestapelt sein. Sie sind durch Zwischenlagen aus geeignetem Material voneinander getrennt, wobei jede Scheibe einen eigenen elektrischen Anschluß aufweist. Die elektrischen Anschlüsse sind in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Anzahl, Größe, Ausführung und Anordnung der piezoelektrischen Elemente wird so gewählt, daß die gewünschten Kräfte und/oder Wege an der Prüfmaschine eingestellt werden können. Es können auch in nicht dargestellter Weise mehrere Stapel von piezoelektrischen Elementen symmetrisch zur Belastungsachse der Prüfmaschine angeordnet werden.
Da die piezoelektrischen Elemente im allgemeinen zwar große Druckkräfte, aber nur kleine Zugkräfte aufnehmen können, sind
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sie durch einm elastischen Rahmen 23 gegen das Querjoch 4 verspannt, d.h. auf Druck vorgespannt. Die Verspannung kann auch über Dehnschrauben oder andere geeignete elastische Elemente vorgenommen werden. Sie wird hierbei so elastisch ausgeführt, daß sie nur einen kleinen Teil der von den piezoelektrischen Elementen bei elektrischer Ansteuerung erzeugten Kräfte aufnimmt.
Durch geeignete elektrische Ansteuerung (Spannung U) der piezoelektrischen Elemente 22 ändern diese ihre Abmessungen in Belastungsrichtung, d.h. im dargestellten Ausführungsbeispiel in der vertikalen Achse der Prüfmaschine und erzeugen dadurch die für den Prüfbetrieb erforderlichen Kräfte. Bei Resonanzbetrieb wird die Erregerfrequenz für die piezoelektrischen Elemente 22 so gewählt, daB sie der Eigenfrequenz des schwingenden Feder-Masse-Systems von Prüfling 11, Schwingmasse 14, Schwingfeder 15 und Prüfrahmen 1 bis 4 entspricht. Dadurch können bei kleinen Erregerkräften große Massenkräfte erzeugt werden, die von der Probe 11 aufgenommen werden müssen. Da die Dämpfung des Systems sehr klein ist, werden Resonanzüberhöhungen von über 100 erreicht, d.h. die in der Prüfeinrichtung erzeugten Kräfte sind um den Faktor 100 größer als die Erregerkräfte.
Im Nachfahrbetrieb können Prüflinge unter den gewünschten Belastungen (Kräfte, Beschleunigungen usw.) bis zu Frequenzen von einigen Kilohertz geprüft werden. Durch die geringe Dämpfung des Systems ergibt sich auch hier eine günstige Energiebilanz. Die Genauigkeit der eingestellten Belastungen -ist dabei besonders hoch.

Claims (1)

  1. 5.104 D
    CARL SCHENCK AG
    1. Oktober 1979
    Werkstoffprüfmaschine mit piezoelektrischem Antrieb
    Patentansprüche :
    .) WerkstoffPrüfmaschine mit einem Prüfrahmen sowie Aufnahmemitteln und einer Belastungseinrichtung für den Prüfling, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinrichtung (21) aus piezoelektrischen Elementen (22) best^it, die so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie bei elektrischer Ansteuerung Kräfte in Belastungsrichtung erzeugen.
    2. WerkstoffPrüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (22) aus aufeinander geschichteten (stabförmig angeordneten) Einzelelementen bestehen.
    3. Werkstoffprüfmaahine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (22) aus mehreren Sätzen von Einzelelementen bestehen, die symmetrisch zur Belastungsachse der Prüfmaschine angeordnet sind.
    4. WerkstoffPrüfmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, insbesondere zur Durchführung von Resonanzprüfungen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den piezoelektrischen Elementen (22) und dem Prüfling (11) eine Schwingmasse (14) angeordnet ist.
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    5. WerkstoffPrüfmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den piezoelektrischen Elementen (22) und der Schwingmasse (141 eine Schwingfeder (15) angeordnet ist.
    6. Werkstoffprüfmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingfeder (15) als einstellbare Vorlastfeder ausgebildet ist.
    7. Werkstoffprüfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (22) in Belastungsrichtung auf Druck vorgespannt sind.
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