DE3918835C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der dynamischen Kenngrößen elastischer Werkstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der dynamischen Kenngrößen elastischer Werkstoffe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 10.

Aus der DIN 53 440 ist bereits ein Biegeschwingungsversuch zur Bestimmung der dynamisch-elastischen Eigenschaften stab- oder streifenförmiger Probekörper bekannt. Bei die­ sem Verfahren wird der üblicherweise in einem Schwin­ gungsknoten gehalterte Probekörper mit einer bestimmten Frequenz f von außen angeregt, die zu einer gleichblei­ benden Erregungsamplitude führt. Durch Änderung der Fre­ quenz durchläuft die Schwingungsamplitude der stehenden Welle bei nicht zu hoher Dämpfung mehr oder weniger hohe Resonanzmaxima. Als Maß für die Dämpfung gilt der Ver­ lustfaktor d, der beim Biegeschwingungsversuch zwischen 0,1 < d < 0,2 liegt. Bei Verlustfaktoren d, die oberhalb d < 0,2 liegen, sind die Ergebnisse des bekannten Biege­ schwingungsversuchs zu ungenau. Die Kurvenstücke in der Umgebung der Resonanzmaxima werden zur Berechnung des Verlustfaktors d und der dynamischen Biegesteifigkeit B verwendet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Werkstoffkennwerte nur für den Bereich der Resonanzfre­ quenz hinreichend genau bestimmbar sind. Es ist jedoch bereits bekannt, daß diese Werkstoffkennwerte von der Frequenz abhängig sind, so daß die ermittelten Werkstoff­ kennwerte außerhalb des Bereichs der Reso­ nanzfrequenz ungenau sind. Ferner können mit diesem Ver­ fahren keine Fertigteile überprüft werden. Die stab- oder streifenförmigen Proben bedingen einen anderen Strömungs­ widerstand als ein ungleichmäßig geformtes Fertigteil. Dies bewirkt ein zu niedriges Meßergebnis für den dynami­ schen Speichermodul E. Bei der Messung von Schaumstoffen ist aufgrund der unterschiedlichen Porosität verschiede­ ner Schäume eine einfache Korrektur des Meßergebnisses nicht möglich. Schließlich muß zur Probenentnahme ein Fertigteil zerstört werden.

Aus der US-PS 3,901,074 ist ein Verfahren zur Bestimmung des komplexen Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit von der Frequenz und der Temperatur für viskoelastische Materia­ lien bekannt. Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls wird eine stabförmige Probe mit einer periodischen Erregung mechanisch auf eine seiner Stirnflächen beaufschlagt. Die andere Stirnfläche ist fest an der Vorrichtung angeord­ net. An der Probe selbst sind in vorbestimmten Abständen Spiegel befestigt. Diese Befestigung der Spiegel setzt voraus, daß die zu untersuchenden Materialien ausreichend steif sind. Über ein relativ kompliziertes Spiegelsystem wird Laserlicht auf die an der Probe angeordneten Spiegel übertragen. Das reflektierte Laserlicht erzeugt Interfe­ renzstreifen, aus denen der dynamische, komplexe Elasti­ zitätsmodul bestimmt werden kann. Dieses bekannte Verfah­ ren ist jedoch für weiche Kunststoffschäume, die in der Regel einen sehr hohen Elastizitätsmodul aufweisen, nicht geeignet, da an diesen die zur Messung erforderlichen Spiegel nicht angebracht werden können.

Aus der US-PS 3,550,427 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des dynamischen Elastizitäts­ moduls in Abhängigkeit von der Temperatur bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine stab- oder streifenförmige Probe bei unterschiedlichen Temperaturen auf Zug bean­ sprucht. Über einen Oszillator wird auf die zu unter­ suchende Materialprobe eine periodische äußere Erregung aufgebracht. Durch Messung der einwirkenden Kraft und des sich daraus ergebenden Verformungsweges sowie der damit verbundenen Phasenverschiebung wird der dynamische Elastizitätsmodul bestimmt. Bei dem bekannten Verfahren ist es nicht vorgesehen, den Elastizitätsmodul E und den Verlustfaktor d in Abhängigkeit von der Frequenz f zu be­ stimmen.

Aus der US-Z: Industrial Laboratory Vol. 39, No. 11 p 1795-6 (November 1973) ist ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmo­ duls E′ und des mechanischen Verlustfaktors d = tan ϑ in Abhängigkeit von der Frequenz und Temperatur bekannt. Die zu untersuchende Materialprobe wird in einem Frequenzbe­ reich zwischen 100 bis 40 000 Hz und bei Temperaturen von -190 bis +250° Celsius bei Kräften zwischen 10 bis 20 Newton untersucht. Die zu untersuchenden Werkstoffe sind sehr weich und haben beispielsweise einen Elastizitätsmo­ dul von 472 800 Newton/m². Der Verlustfaktor d liegt zwischen 0,1 und 1,5. Die streifenförmige Materialprobe wird an ihren gegenüberliegenden Enden eingespannt und senkrecht zu ihrer Achse mit einer äußeren, periodischen Erregung beaufschlagt. Die Beaufschlagung kann an ver­ schiedenen Stellen des Probenkörpers erfolgen. Im Proben­ körper werden wandernde Biegewellen erzeugt. Die sich daraus ergebende Wellenamplitude wird in einem Diagramm aufgezeichnet, aus dem die Wellenlänge λ und andere Größen ablesbar sind. Aus diesen Werten sind der dynami­ schen Elastizitätsmodul und der mechanische Verlustfaktor berechenbar.

Aus der DE 26 52 361 B2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Moden oder Schwingungsformen von großen Strukturen, wie z. B. von Autokarosserien oder Flugzeugrümpfen, be­ kannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Anfangs­ analyse mit einem Signal, z. B. einem Breitbandrauschen, durchgeführt. Zur Trennung der Moden an den in der An­ fangsanalyse ermittelten Stellen wird eine bestimmte An­ regung zur Ermittlung der Einzelmoden bei verschiedenen Frequenzen durchgeführt. Zu diesem Zweck werden mehrere Anreger verwendet. Ein solches Verfahren ist bei kleinen Probengrößen nicht anwendbar, da in der Regel nur ein An­ reger aus Platzgründen auf eine kleine Probe wirken kann. Zudem ist bei weichen Proben, wie beispielsweise Kunst­ stoffschaum, die Struktur nicht steif genug, um mehrere Anreger aufzunehmen.

Aus der DE-PS 25 32 801 ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Übertragungsfunktion bekannt, das in einem Fourier-Analysator einsetzbar ist. Durch dieses Verfahren kann das Verhältnis zwischen zwei Zeitgrößen bestimmt werden.

Aus der US-Z: The Journ. of the Acoustical Soc. of America, Vol. 41, (1967) Nr. 4, S. 840-849, ist ein Verfahren zur Regelung einer Anregung von Strukturen mit einem Rauschsignal bzw. mit Sinus-Signalen bei veränder­ lichen Frequenzen bekannt. Dieses Verfahren beschreibt die Herleitung und Auswirkung der einzelnen Regelparame­ ter bei verschiedenen Anordnungen. Das besondere bei diesem Verfahren ist, daß ein sogenannter Time-Division- Multiplexer (TDM) verwendet wird, durch den mehrere Ist- Wert-Erfassungsstellen an der Probe untersucht werden können, wobei die dabei ermittelten Signale zu einem Signal zusammengefaßt werden. Dieses eine Signal dient der Regeleinheit anschließend als Eingangsgröße.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermitt­ lung der dynamischen Kenngrößen elastischer Werkstoffe, insbesondere von Kunststoffschäumen, anzugeben, das auch für Werkstoffe mit hoher Dämpfung geeignet ist und mit dem die Kennwerte schnell und genau bestimmbar sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird in bezug auf das Verfahren der ein­ gangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 und in bezug auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist es möglich, die dynamischen Kennwerte der Werkstoffe hinreichend genau, relativ schnell und kontinuierlich über einen großen Fre­ quenzbereich zu messen. Dabei wird die untere Grenzfre­ quenz von der Meßtechnik und von der Entkopplung der Vor­ richtung zur Halterung der Materialprobe gegen tieffre­ quente Gebäudeschwingungen bestimmt. Die obere Grenzfre­ quenz ergibt sich aus der Steifigkeit dieser Vorrichtung bzw. deren erster Eigenresonanz. Die Messung der Werk­ stoffe kann bei realitätsnahen Strömungswider­ ständen erfolgen, indem eine unzerschnittene Probe gemes­ sen wird, deren Maße wesentlich größer als die der bei­ den, der Halterung der Probe dienenden Prüfplatten sind. Ferner kann ein realitätsnaher Strömungswiderstand bei der Messung dadurch simuliert werden, daß die Gesamtpro­ benabmessungen zwar größer als die beiden Halterungsplat­ ten sind, aber der Probenabschnitt, der durch die beiden Halterungsplatten beaufschlagt wird, aus der Gesamtprobe herausgeschnitten ist und der Mantelbereich durch die Restprobe abgedeckt ist. Dadurch werden Übergangszonen am Randbereich der beaufschlagten Problemfläche vermieden. Schließlich ist bei einer entsprechend großen Ausführung der Vorrichtung eine Messung von Fertigteilen durchführ­ bar. Ferner ist eine einfache Probenapplikation möglich, wobei Verfälschungen des Meßergebnisses durch leichte Un­ ebenheiten der Probe, schlechte Planlage, leichtes Abhe­ ben der Kontaktflächen oder eine Exzentrizität der Vor­ spannkraft ausgeschlossen sind. Außerdem weist das erfin­ dungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten auf. So können die dynamischen Kennwerte der Werkstoffe in Abhängigkeit von der Frequenz und unterschiedlichen statischen Vorspannun­ gen und/oder unterschiedlichen Erregerwegen und/oder un­ terschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten und/oder unter Vakuum bestimmt werden.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zei­ gen:

Fig. 1 den Verlauf von Resonanzkurven bei einem kon­ stanten Speicher-Modul E und bei einem über der Frequenz sich ändernden Speicher-Modul E (f),

Fig. 2 das Ersatzmodell eines Kunststoffschaumes,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung des erfindungsge­ mäßen Meßprinzips,

Fig. 4 einen schematischen Meßaufbau mit analoger Auswer­ tung,

Fig. 5 einen Meßprüfstand mit einer eingespannten Ma­ terialprobe und

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung eines Meßprüf­ standes, der mit einer Klima- bzw. Vakuumkammer versehen ist.

In Versuchen und praktischen Anwendungen hat es sich ge­ zeigt, daß elastische Werkstoffe mit einer porösen Struk­ tur, insbesondere Kunststoffschäume, bereits in dem rela­ tiv engen Frequenzbereich, in dem sich Resonanzen erge­ ben, meßbare Verhärtungen bilden, d. h. daß sich der Speicher-Modul E erhöht. Ferner konnte mit dem nachfol­ gend beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nachgewiesen werden, daß die Resonanzkurven im Bereich höherer Frequenzen deutliche Abweichungen zu den Resonanzkurven aufweisen, bei denen ein konstanter E-Modul angenommen wurde. Dieser Zusammen­ hang ist in der Fig. 1 dargestellt, in der über der Fre­ quenz f der Quotient aus der Schwingungsamplitude A und der Resonanzamplitude A_max bei der Resonanzfrequenz f_n aufgetragen ist. Ferner ist die Halbwertsbreite Δf der Resonanzkurve eingezeichnet, die als Maß für die Dämpfung beim Biegeschwingungsversuch benutzt wird. Die Halbwertsbreite Δf ist als der Abstand der beiden Fre­ quenzen oberhalb und unterhalb von f_n definiert, bei denen A² = 1/2 A_max ist bzw. bei denen die Amplituden A 3 d B unterhalb von A_n liegen. Aus dem Quotienten d = Δ f/f_n ergibt sich der Verlustfaktor d bei der Frequenz f_n beim Biegeschwingungsversuch. Die in einer strichpunk­ tierten Linie eingezeichnete Resonanzkurve, bei der die Verhärtung bzw. die Erhöhung des Speicher-Moduls E über der Frequenz f berücksichtigt wird, weist eine größere Halbwertsbreite auf, so daß auch der Verlustfaktor d bei der Berücksichtigung der Veränderung des E-Moduls über der Frequenz einen größeren Wert ergibt. Bei Vergleich der beiden Kurven ergibt sich ferner, daß die wirkliche Dämpfung des untersuchten Werkstoffes höher ist, als die bei einem konstanten E-Modul angenommene Dämpfung.

Dieser Unterschied läßt sich anhand eines in der Fig. 2 gezeigten Feder-Dämpfer-Ersatzmodelles für einen unter­ suchten Werkstoff, im vorliegenden Fall einem Kunststoff­ schaum, erklären. Die Feder c₁ und der Dämpfer k₁ stellen das Skelett des Kunststoffschaumes dar. Parallel dazu liegt eine Reihenschaltung aus einer Feder c₂ und einem Dämpfer k₂, die die Feder- und Dämpferwirkung der sich im Schaum befindlichen Luft abbilden. Dabei ist c₂ die Federsteifigkeit der Luft und k₂ entspricht dem Strö­ mungswiderstand zwischen den Poren des Kunststoffes, der um so höher ist, je schneller die Luft zwischen den Poren strömt. Je höher die Verformungsfrequenz des Kunststoff­ schaumes ist, desto schneller muß die Luft aus den Poren entweichen. Dadurch erhöht sich der Widerstand und damit die Federsteifigkeit c₂. Die Gesamtfedersteifigkeit c_ges ergibt sich aus der Summe der Federsteifigkeit c₁ des Kunststoffskeletts sowie der Federsteifigkeit c₂ der Luft. Aufgrund der unterschiedlichen Porosität und der daraus resultierenden Größe des Dämpfers k₂ bei verschie­ denen Schäumen ist auch deren Verhärtungsverhalten ver­ schieden. Gleichzeitig geht mit der Änderung des Spei­ cher-Moduls E auch eine Veränderung des Dämpfungsverhal­ tens einher. Dies hat zur Folge, daß Werkstoffe, bei­ spielsweise Kunststoffschäume, die bei der Berechnungsme­ thode mit einem konstanten E-Modul bei der Resonanzfre­ quenz f_n für einen bestimmten Anwendungsfall geeignet er­ scheinen, aufgrund ihres Dämpfungsverhaltens bei höheren Frequenzen ungeeignet sind. Dies gilt auch für den umge­ kehrten Fall.

In der Fig. 3 ist ein Meßprinzip als Blockschaltbild auf­ gezeichnet. Dabei ist die Materialprobe 1 als ein Feder- Dämpfer-Ersatzmodell mit den Federsteifigkeiten c₁, c₂ und den Dämpfungskonstanten k₁, k₂ abgebildet. Die Mate­ rialprobe 1 wird zwischen einer Erregerplatte 2 und einer dazu gegenüberliegenden Gegenplatte 3 angeordnet. Über die Erregerplatte 2 wird eine dynamische Verformung ein­ geleitet. An der Erregerplatte 2 wird eine Bewegungs­ größe, d. h. entweder der Weg s oder die Geschwindigkeit s oder die Beschleunigung s über ein Meßgerät 4 gemessen. Die an der Gegenplatte 3 auftretende Kraft F wird über ein Meßgerät 5 ermittelt. Falls die gemessene Bewegungs­ größe an der Erregerplatte 2 die Beschleunigung s oder die Geschwindigkeit s ist, wird diese Größe durch Inte­ gration in eine Weggröße umgewandelt. Für die ermittelten Kraft- und Wegwerte wird eine Frequenzanalyse durchge­ führt. Durch Division der Kraft F durch den Weg s für jede Frequenz f wird die Federsteifigkeit c (f) errech­ net. Durch Multiplikation der Federsteifigkeit c (f) mit dem Quotienten aus der Dicke der Materialprobe und deren Querschnittsfläche ergibt sich der Speicher-Modul E der Materialprobe 1. Die Darstellung erfolgt auf einem Bild­ schirm oder einem Schreiber, wobei der E-Modul als Funk­ tion über der Frequenz aufgetragen ist. Ebenso wird für jede Frequenz f die Phasenlage zwischen der Kraft F und dem Weg s gemessen. Der Tangens des Phasenwinkels ϕ er­ gibt den Verlustfaktor d. Dieser wird graphisch über der Frequenz f aufgetragen.

In der Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Meßaufbaus gezeigt, bei dem die Auswertung über einen Rechner 18 er­ folgt. Ein Frequenzgenerator 7 erzeugt ein Rauschsignal, welches im Leistungsverstärker 8 zum Betrieb des elektro­ mechanischen Schwingungserregers 9 verstärkt wird. Der Schwingungserreger 9 erzeugt aus der elektrischen Schwin­ gung eine mechanische Schwingung. Das an der Erreger­ platte 2 angeordnete Weggrößen-Meßgerät, beispielsweise ein Beschleunigungsaufnehmer 10, wandelt die erfaßte Be­ schleunigung s = a in eine elektronisch verwertbare Größe, beispielsweise in eine Ladung Q, um. Diese wird im Ladungsverstärker 12 in eine Spannung umgewandelt und zweifach zu einer wegproportionalen Spannung U∼s aufin­ tegriert. Die an der gegenüberliegenden Seite der Materi­ alprobe 1 auftretende Kraft F wird von einem an der Ge­ genplatte 3 angeordneten dynamischen Kraftaufnehmer oder einem Dehnungsmeßstreifen 11 in eine proportionale Ladung Q gewandelt. Diese wird im Ladungsverstärker 13 in eine Spannung U∼F umgewandelt und verstärkt. Die Spannungen U_S∼s und U_F∼F werden einem Frequenzanalysator 17 zugeführt, der die beiden Spannungssignale U_S und U_F in die jeweili­ gen Frequenzanteile aufspaltet und ferner den Quotienten F/s, d. h. die Federsteifigkeit c, sowie den Phasenwinkel ϕ zwischen der Kraft F und dem Weg s bildet. Die ermittelte Federsteifigkeit c und der Phasenwinkel ϕ werden an einen Rechner 18 weitergeleitet, der den Speicher-Modul E = c x (Dicke der Materialprobe/Querschnittsfläche der Material­ probe) und den Verlustfaktor d = tan ϕ für jede Frequenz berechnet und die ermittelten Werte auf einem Schreiber und/oder einem Bildschirm darstellt. Die auf die Materi­ alprobe 1 wirkende Vorspannung kann über ein Spannungs­ meßgerät 21 angezeigt werden, wobei die Vorspannungskraft durch einen statischen Kraftaufnehmer 19 gemessen wird, der die gemessene Kraft in eine Spannung umwandelt, die in einem Meßverstärker 20 verstärkt wird.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren und der dazugehöri­ gen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens können folgende Messungen durchgeführt werden:
Bei einer Durchführung der Messungen bei unterschiedli­ chen statischen Vorspannungen kann die Abhängigkeit des Speicher-Moduls E (f) und des Verlustfaktors d (f) von der statischen Vorspannung untersucht werden.

Bei einer Durchführung der Versuche bei unterschiedlichen Erregerwegen, d. h die am Schwingungserreger 9 auftre­ tende Wegamplitude, kann die Abhängigkeit des Speicher- Moduls E (f) und des Verlustfaktors d (f) vom Erregerweg ermittelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfol­ gen, daß der Verstärkungsfaktor am Leistungsverstärker 8 zur Speisung des Schwingungserregers 9 verändert wird.

Bei einem Einbau des Meßaufbaus bzw. der zwischen der Erreger­ platte 2 und der dazugehörigen Gegenplatte 3 eingespann­ ten Materialprobe 1 in eine Klimakammer 22 können der Einfluß der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit auf den Speicher-Modul E (f) und den Verlustfaktor d (f) bestimmt werden.

Bei einem Einbau der Meßvorrichtung bzw. der Materialprobe in eine Vakuumkammer 23 können die dynamischen Kennwerte der Struktur eines porösen Werkstoffes, beispielsweise die Kennwerte des Schaumstoffskeletts, bestimmt werden, da hierbei die Wirkung der Luftfederung und des auftretenden Strömungswiderstandes ausgeschaltet sind.

In der Fig. 5 ist ein Prüfstand 23 gezeigt, der aus einem sehr steifen Gestell 24 besteht. Im mittleren Bereich des Gestells 24 ist eine Grundplatte 25 ausgebildet, die eine Aussparung 26 aufweist. Die Form der Aussparung ergibt sich aus der Form der verwendeten Platten 2 und 3 zum Festhalten der Materialprobe 1. Auf der Grundplatte 25 ist ein beispielsweise U-förmiges Joch 27 montiert, in dem eine senkrecht verlaufende Säule 28 geführt und mit­ tels einer Klemmvorrichtung 29 in jeder beliebigen Höhe festgestellt werden kann. Am unteren Ende der Säule 28 ist über einen dynamischen Kraftaufnehmer 11 die Gegen­ platte 3 angeschraubt, die die Funktion einer Festfläche übernimmt. An der Unterseite der Grundplatte 25 ist ein Schwingungserreger 9 angebracht, der in seiner Befesti­ gungsvorrichtung 30 justiert werden kann. Auf dem Schwin­ gerreger 9 ist über einen statischen Kraftaufnehmer 19 die Erregerplatte 2 montiert. Die Erregerplatte 2 ist in der Aussparung 26 der Grundplatte angeordnet, wobei die der Materialprobe 1 zugewandte Oberfläche der Erre­ gerplatte 2 mit der Oberfläche der Grundplatte 25 bündig abschließt. An der Unterseite der Erregerplatte 2 sitzt ein Weggrößen-Meßgerät, beispielsweise ein Beschleuni­ gungsaufnehmer 10, zur Aufnahme der eingeleiteten dynami­ schen Verformung. Die Materialprobe 1 wird über eine Ver­ klebung und/oder eine statische Vorspannung an die Erre­ ger- und Gegenplatte 2 und 3 angekoppelt. Die Vorspannung wird durch Verschieben der Säule 28 erreicht und mit dem statischen Kraftaufnehmer 19 gemessen. Die Verschiebung der Säule 28 kann über einen nicht abgebildeten Motor er­ folgen. Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, sind die Abmessun­ gen der Materialprobe 1 in der horizontalen Ebene wesent­ lich größer als die der beiden Platten 2 und 3, so daß die Messung mit einem realitätsnahen Strömungswiderstand erfolgt. Bei einer entsprechend großen Ausführung des Jochs 27 ist auch eine Messung von Formteilen möglich.

In der Fig. 6 ist ein schematisierter Prüfstand 23 darge­ stellt, der in einer Klima- und/oder Vakuumkammer 32, 33 eingebaut ist. Die in der Fig. 6 gezeigte Materialprobe 1 ist zweiteilig und besteht aus einem durch die Platten 2 und 3 beaufschlagten Probenteil 1a sowie einem das Pro­ benteil 1a an dessen Mantelfläche umgebendes Probenteil 1b, das auf der Grundplatte 25 aufliegt. In der Regel wird diese Materialprobe 1 dadurch hergestellt, daß das Pro­ benteil 1a aus einem Fertigteil oder einer größeren Mate­ rialprobe herausgeschnitten wird, so daß das das Proben­ teil 1a umgebende Probenteil 1b entsteht. Auf diese Weise kann die Messung bei einem realistischen Strömungswider­ stand durchgeführt werden. In einer anderen Ausführungs­ form, insbesondere bei der Messung von Formteilen mit einem Prüfstand mit großen Abmessungen genügt die Ausbil­ dung einer Klima- und/oder Vakuumkammer 32, 33, die den durch die Platten 2, 3 und die dazwischen angeordnete Materialprobe 1 gebildeten Raum umschließt.

Claims (18)

1. Verfahren zur Ermittlung der dynamischen Kenngrößen elastischer Werkstoffe, insbesondere von Kunststoff­ schäumen, wobei eine Materialprobe (1) des zu unter­ suchenden Werkstoffes mindestens an einer Seite in einer Vorrichtung fest angeordnet ist und wobei auf der dazu gegenüberliegenden Seite der Materialprobe (1) eine veränderliche, mechanische Erregung einge­ leitet wird, wobei die zur Berechnung der dynami­ schen Kenngrößen, des Speichermoduls E und des Ver­ lustfaktors d, erforderlichen Meßwerte in Abhängig­ keit von der Frequenz gemessen und ausgewertet wer­ den, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Rauschsignal zur mechanischen Erregung ver­ wendet wird,
daß eine der Bewegungsgrößen Weg oder Ge­ schwindigkeit s oder Beschleunigung der mechanischen Erregung und die an der fest ange­ ordneten Seite der Materialprobe (1) auftretende Kraft F gemessen werden,
daß in einer Frequenzanalyse der Betrag des aus der gemessenen Bewegungsgröße (s, , ) bestimmten Weges (s) und der Kraft F sowie der Phasenwinkel ϕ zwischen diesen beiden Größen für jede Frequenz (f) bestimmt werden und
daß anschließend der Speichermodul E durch jeweilige Quotientenbildung unter Berücksichtigung der Proben­ geometrie und der Verlustfaktor d aus dem Phasen­ winkel ϕ gemäß d = tan ϕ für jede Frequenz (f) be­ rechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialprobe (1) zur Berücksichtigung von Strömungswiderständen in den Poren der Materialprobe (1) von dem gleichen Material wie die Materialprobe (1) umgeben ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gemessene Bewegungsgröße (s, , ) und die Kraft F in elektrische Größen umgewan­ delt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gemesse­ nen und berechneten Werte (F, s, , , d, E) als eine Funktion über der Frequenz (f) grafisch darge­ stellt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Materialprobe (1) wirkende Vorspannkraft durch eine manuell oder motorisch verstellbare Vorrichtung (28, 29, 3, 19, 20, 21) eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dyna­ mischen Kenngrößen der zu untersuchenden Material­ probe (1) in Abhängigkeit unterschiedlicher Vorspan­ nungen untersucht werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dyna­ mischen Kennwerte der zu untersuchenden Material­ probe (1) in Abhängigkeit unterschiedlicher Erre­ gungsstärke gemessen werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dyna­ mischen Kennwerte der zu untersuchenden Material­ probe (1) bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten ermittelt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dyna­ mischen Kennwerte der zu untersuchenden Material­ probe unter Vakuum ermittelt werden.

10. Vorrichtung zur Ermittlung der dynamischen Kenn­ größen elastischer Werkstoffe, insbesondere von Kunststoffschäumen, mit einer Vorrichtung (23) zur Halterung und mechanischen Erregung einer Material­ probe (1) des zu untersuchenden Werkstoffes, wobei die Materialprobe (1) zwischen einer während des Meßversuches stillstehenden ebenen Fläche eines Hal­ terungsteils (3) und einer während des Versuchsab­ laufs durch einen Frequenzgenerator (7) und einen Schwingungserreger (9) bewegten Fläche eines weite­ ren Halterungsteils (2) angeordnet ist, mit Vorrich­ tungen (10, 11, 17, 18, 19, 21) zur Messung und Aus­ wertung von Meßwerten in Abhängigkeit von der Fre­ quenz, die zur Berechnung der dynamischen Kenn­ größen, des Speichermoduls E und des Verlustfaktors d, erforderlich sind, gekennzeichnet
durch den Frequenzgenerator (7), der ein Rauschsi­ gnal zur mechanischen Erregung der Materialprobe (1) erzeugt,
durch Vorrichtungen (10, 11) zur Messung und Auswer­ tung einer der Bewegungsgrößen Weg s oder Geschwin­ digkeit s oder Beschleunigung s der mechanischen Er­ regung und der an der am einen Halterungsteil (3) fest angeordneten Seite der Materialprobe (1) auf­ tretenden Kraft F
durch einen Frequenzanalysator (17), der für jede Frequenz (f) den Betrag des aus der gemessenen Bewe­ gungsgröße (s, s, s) bestimmten Weges (s) und der Kraft F sowie den Phasenwinkel ϕ zwischen den beiden Größen bestimmt und
durch einen Rechner (18), der anschließend den Spei­ chermodul E durch jeweilige Quotientenbildung unter Berücksichtigung der Probengeometrie und den Ver­ lustfaktor d aus dem Phasenwinkel ϕ gemäß d = tan ϕ für jede Frequenz (f) berechnet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halterungsteile (2, 3) jeweils eine plattenförmige, ebene Fläche zur Anordnung der Mate­ rialprobe (1) aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Größe der Flächen der Halterungsteile (2, 3) im Vergleich zu den damit in Kontakt stehenden Flächen der Materialprobe (1) in dem Maße kleiner sind, daß die Messung bei einem realitätsnahen Strömungswiderstand der Luft in den Poren der Materialprobe (1) erfolgt.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Aufbringung einer einstellbaren Vorspannkraft, durch einen statischen Kraftaufnehmer (19) zur Messung der Vorspannkraft und einer Vorrichtung (21) zur Anzeige der eingestellten Vorspannkraft.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrich­ tung, insbesondere einem Schreiber und/oder einem Bildschirm, zur Darstellung der gemessenen und be­ rechneten Werte (s, , , F, E, d, c usw.) über der Frequenz in Abhängigkeit von eingestellten Randbe­ dingungen, wie Temperatur, Umgebungsluft, Vakuum, Vorspannkraft, Luftfeuchtigkeit.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich­ tung zur Ermittlung der dynamischen Kenngrößen ela­ stischer Werkstoffe aus einem steifen, unteren Ge­ stell (24) besteht, das eine mit einer Aussparung (26) versehene Grundplatte (25) aufweist,
daß in der Aussparung (26) das weitere Halterungs­ teil (2) beweglich geführt ist,
daß das weitere Halterungsteil (2) mit dem justier­ baren Schwingungserreger (9) mechanisch verbunden ist und
daß auf der Grundplatte (25) ein Joch (27) ausgebil­ det ist, in der das eine Halterungsteil (3) ein­ stellbar angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Materialprobe (1) von einer Klimakammer (32) und/oder einer Vakuumkammer (33) umgeben ist.

17. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 11 für eine zweiteilige Materialprobe (1), wobei diese aus einem ersten Probenteil (1a) besteht, des­ sen Außenabmessungen mit denen der Halterungsteile (2, 3) übereinstimmt, und wobei die Materialprobe (1) ein zweites Probenteil (1b) aufweist, das das erste Probenteil (1a) an dessen Mantelfläche umschließt.

18. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 12 für ein Fertigbauteil.