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Gerät zum Erzeugen oder zum Nachweis von Torsionsschwingungen Die
Erfindung bezieht sich auf ein neues und b
\-erl)ess-ertes Gerät zur Erregung
oder zum Nachweis \-on Torsionssch#vingungen in elastischen Körpern.
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Wie bereits bekannt, können Längs- und Querscli##-iiigutigcii in elastischen
Körpern durch elektrische oder magnetische Mittel hervorgerufen werden, z.
13. durch Wechselwirkung eines niagnetischen Feldes und einer von Wechselstrom
durchth)#seneii Spule, div [iiit dein Körper verbunden sind, oder wciiii der Körper
magnetostriktive l,'lge,iiscliaftcii besitzt, durch die Einwirkung eines wechselnden
niagnütischen Feldes auf ihn, oder weini ei- piczoelektrische Eigenschaften besitzt,
durch die Einwirkung eines elektrischen Wechselfcld.es. Diese Erscheinungen -,verden
für Lautsprecher, für magnetostriktive Oszillatoren, die zur Tiefenlotung geeignete
Ultrasehallwellen erzeugen, für piezo-ele#k-trisc#he Quarzoszillatoren zur Erzeugung
von Ultraschallwellen für Frequenzrichtmaße und für viele andere Zwecke verwandt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt das Gerät, das sowohl zur
Erregung als auch zum Nachweis voriTorsiortsschwingungen in elastischen Körpern
benutzt werden kann i#m wesentlichen Mitte] zur Erzeugung eines in einer Richtung
wirkünden inagtittischen Feldes, das im wesentlichen senkrecht zur Schwingachse
des Körpers verläuft, und ein N-on Wechselstrom durchflossenes Spulensystern von
der gleichen gewünschten Frequenz Ader einer Frequenz, die bei der mechanischen
Schwingung des Körpers wirksam ist wobei das
Spulensystem von -dem
schwingenden Körper getrennt bist und Teile besitzt, die sich teilweise etwa parallel
zu der erwähnten Achse erstrecken und einen zum Teil parallel zur erwähnten Achse
verlaufenden Stromweg bilden.
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Die Anordnung ist so, daß, wenn das Gerät als Erreger verwandt wird,
ein von einer geeigneten Quelle dem Spulensystern zugeleiteter Wechselstrom wechselnde
Wir4belströme in dem Körper -erzeugt, die teilweise etwa parallel zur Schwingachse
des Körpers fließen und durch das in einer Richtung wirkende magnetische Feld geschnitten
werden, so,daß in dem Körper d#ie erforderlichen Drehschwingungen 'hervorgerufen
werden. Wenn es umgekehrt zum Nachweis von Torsionsschwingungen in einem Körper
verwandt wir&dann wird das in einer Richtung wirkende magnetische Feld durch
den schwingenden Körper geschnitten, wodurch Wirbelströme in dem Körper entstehen,
die ,ein wechselndes magnetisches Feld bilden und in dem Spulensystem eine wechselnde
elektromotorischt Kraft hervorrufen, deren jeweilige Größe die jeweilige Winkelgeschwindigkeit
der Schwingungskompanente des m-echanischenSystems darstellt.
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Die Mittel zur Erzeugung des erwähnten, in einer Richtung wirkenden
magnetischen Feldes können aus einem Bügt#,1 'bestehen, der einander gegenüberliegende
Spulen besitzt, in die Gleichstrom geleitet wird, oder wa'hlweise aus einem System
'beständiger Magnete.
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Die Zeichnung zeigt als Beispiel eine Ausführungsforrn der Erfindung,
und zwar ist Fig. i eine schaubildliche Darstellung -des Wechselstromspulensystems
der Vorrichtung. Fig. 2 ist ein Schnitt und zeigt das erwähnte Spulensystem und
Mittel zur Erzeugung des in einer Richtung wirkenden magnetischen Feldes.
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In beiden Figuren ist in strichpunktiertenLinien ci-n zvlindrischer
Stab oder eine Stange gezeigt, der den 1Zörp-er idarstcllt, in dem Torsionsszhwingungen
erzeugt oder nachgewiesen werden sollen.
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2 bezeichnet ein Wechselstromspulensystem, bestehend aus denTeilenA
und B, die sich im wesentlichen parallel zur Schwihgachse des Körpers i erstrecken
und durch gleichachsig-e bogenförmige Teile verbunden si-nd. jede der beiden geschlossenen
Spulen besitzt eine Anzahl Leiter, wie,in Fig. 2 gezeigt. Zur Erzeugung eines magnetischen
Feldes in dem Körper in Richtung P-Q (Fig. 2) dient ein Bügel 4, der
einander gegenüberliegende Spulen 3
besitzt, denen Gleichstrom von einer geeigneten,
nicht dargestellten Stromquelle zugeführt wird.
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Wenn die Vorrichtung zur Erzeugung von Tor-, sionsschwingungen in
dem Körper i verwendet werden solle wird das Spulensystem 2 mit einer Wechsclstromquelle
verbunden. Es ist zu ersehen, daß bei diesern System alle Ströme, die längs der
geraden Teile der Spulen fließen, ständig in der Richtung von A nach B oder
umgekehrt verlaufen. Nach einem belkannten physikalischen Gesetz erzeugen die Wechselströme
in den Spulen 2 WechselwirbeIströme der gleichen Frequenz im Körper i, wobei der
Verlauf dieser Wechselströme im wesentlichen dem der Wechselströme in dem SpulensyStCrn
2 gleiCht, so daß dort Wechselströme an der Oberfläche des Körpers parallel zu A-B
fließen, #d. h. parallel zurAchse des Körpers.Gleichzeitig beeinflußt das durch
die Spulen 3 in Richtun- P-Q erzeugte magnetische Feld die vorerwähnten
Wirbelströme, die in dem Körper durch die geraden Teile A-B des SpulensysternS 2
erzeugt worden sind, und ruft ein wechselndes Umfangsdrehnloment auf dem Körper
hervor, dessen Richtung bei jeder Umkehr des Stromes in dem SpulenSyStCM 2 wechselt
und dessen Wechsel die 7, erleiche Frequenz besitzt wie der Strom. Die Wechselstromquelle,
die das Spulensystem 2 speist, kann von gleichbleibender oder veränderlicher Frequenz
sein, je nach dem Verwendungszweck der Vorrichtung.
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Wenn der Körper i frei aufgehängt ist und,die Frequenz des dem Spulensystem
2 zugeführten Stromes die gleiche ist wie die Torsionsresonanzfrequenz des Körpers,
dann entstehen Schwirtgungen, die starke Schwingungsbeanspruchungen bei nur geringem
Kraftaufwand auf das erwähnte System her\-orrufen können. Die Aufhingung 'kann in
beliebiger Weise durch -Mittel erfolgen, die ein freiesDrehen um die Schwingungsachse
gestatten, z. B. durch Drähte, Lager, Luftflotation usw. Der Körper i kann natürlich
irgendeine geeignete Form haben, z. B., die Form eines Stab-es oder eines holi'.en
zylindrischen Ringes oder Pendels, auch kann er innerhalb des Bereiches des SpulenSySteMS
2 cienen Kern von hoher magnetischer Pernicabilität besitzen. der entweder fest
an oder auch getrennt von dem Körper angebracht ist, um die Luftlücke in (lern magnetischen
Kreislauf zwischen den Spulen 3 und dem BÜg-el 4 zu verringern.
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Wenn ferner der Körper i nicht aus Metall besteht oder von geringer
LeitfähIgkeit ist, kann er z# mit ein-er 'Metallschicht von hoher Leitfähigkeit
in geeigneter Stärke überzogen werden.
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Soll die beschriebene Vorrichtung zum Nachweis von Torsionsschwingungen
in dem Körper i verwendet werden, z. B. bei einer sich drehenden Welle, die Torsionsschwi:iigungen
ausgesetzt ist, dann wird das Spulensystern 2 einfach vorzugsweise durch einen Verstärker
mit irgendeiner Anzeigevorrichtung verbunden, z. 13. einem Kathodenstrahloszillographen
oder einem Wellenanalysator. Der dieTorsionssch-wingungen ausführendeKörper schneidet
das gleieligerichtete magnetische Feld, das durch die SPule 3 erzeugt wird,
und erzeugt dadurch Wirbelströme, die zum Teil parallel zur Schwingungsachse fließen
und ein wechselndes magnetisches Feld erzetigen, wodurch in dem '-#-pUltnSyStCM
2 eine wechselnde elektromotorische Kraft entsteht, dessen jeweilige Größe die Geschwindigkeit§komponente
der Torsionsschwingung darstellt. Eine gleichförmige Winkelgeschwindigkeit des Körpers
i ruft in dem Spulensysterri 2 keine Spannung hervor, und demzufolge ist die Wirkung
der stä#n,digüii Drehung des Körpers von
seiner Schwingungskompotiente
getrennt, die nur in dem Spulensystem erscheint.
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Es können mehrere der beschriebenen und dargestellten Einheiten zusammen
verwandt werden, z. B. kann man z-#N-ei Einheiten vorsehen, und zwar je eine
an jedem Ende des Körpers, und wenn es sich um Erreger handelt, können sie elektrisch
vcrhundert sein, um die dein Körper zugeleitete Kraft zu vergrößern.
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Um das Aufrechterhalten der Torsionsschwingung für längere Zeit zu
erleichtern, kann einee Nachweiseinheit in Verbindung mit einer Erregereinheit verwendet
werden, so daß eine wechseln-de clektromotori#sche Kraft entsteht, die durch die
Bewegung des Körpers erzeugt wird, wobei diese elektromotorische Kraft verstärkt
wird, um eine wechselnde elektrische Kraftquelle zur Speisung der Erregereinheit
zu erhalten. Auf diese Weise besitzt der Körpg die notwendige Frequenzsteuerung
und Torsionsschwingungen 'können unbegrenzt innerhalb der Kapazität des Körpers
aufrechterlialten werden.
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1)ie Vorrichtung gürnäß der Erfindung kann zu den verschiedensten
Zwecken praktisch verwandt werden, z. 13.
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i. um Torsionsresonanzschwingungen in einem frei aufgehängten Stab
zu erzeugen und das Ab-
nehmen solcher Schwingungen nach der Erregung zu bestimmen,
wobei auch die Dämpfungskapaz,ität oder innere Reibung des Werkstoffes des
Stabes gegenüber Torsionsschwingungen von bekannter Amplitude gemessenwerd-en sollen.DieDämpfungs-'kapazität
eines Werkstoffes ist eine nützliche physikalische Eigenschaft derWerkstoffe, die
unter dynamischen Bedingungen verwendet werden, un#d kann auch zum Anzeigen von
in dem Werkstoff vorhandenen Fehlern dienen; 2. zum Erregen und Aufrechterhalten
von Torsionsresonanzschwingungen in einem frei aufgehängten Stab oder Pendel beihoher
Frequenz und mit geringem Kraftaufwand, um Torsionsermüdungserscheinungen des Materials
zu prüfen. Ge-
wöhnliche Ermüdungsprüfungen verursachen erzwungene Schwingungen
im Material bei Frequenzen in der Größenordnung von ioo Perioden je Sekunde
und erfordern einen beträchtlichen Kraftaufwand. Vermittels dieses Gerätes zur Erzeug#ung
von Torsionsschwingungen können Frequenzen von der Resonanzfrequenz der Probe (in
der Größenordnung von 2oooPerioden je Sekunde) leicht erreicht werden, und
die 'Schwingungen können mit verhältnismäßig geringem Kraftaufwand aufrechterhalten
werden. Hinzu kommt, daß die Dämpfungskapazität des Materials während der Ermüdungsprobe
in gewissen Abständen bestimmt werden kann, zu dem Zweck, den Wechsel in dem physikalischen
Zustand des Materials festzustellen, wenn die Ermüdungsgrenze angenähert erreicht
wird; 3. zum ErzCtl,-tln und Aufrechterhalten von Torsionsschwingungen in
einem frei aufgehängten Stab oder Pendel, der #in Resonanz mit seiner natürlichen
Frequenz schwingt, so daß eine Frequenznorrn erreicht wird. Die gewöhnliche Verwendung
von kristallinischem Quarz als Frequenznorm beruht auf seinen piezoelektrischen
Eigenschaften, und es ist schwierig damit einegeringere Norm als 20000 Perioden
je Sekunde zu erreichen.
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Bei der Anwendung liegt eine Art von Torsionsschwingungsdämpfung infolge
Luftreibung bei einem -Minimum, und es ist nicht notwendig, das Richtmaß in, einen
luftleer gemachten Raum einzuschließ-en. Die Frequenz hängt von den Abtriessungen
und der elastischen Konstante des ,chwingenden Stabes ab und demzufolge können Richtmaße
über einen weiten Frequenzbereich leicht hergestellt werden. Durch die Wahl eines
geeigneten Materials, z. B. einer Aluminium-Kupfer-Legierung mit ungefähr 40/0 Kupfergehalt,
die eine sehr geringe DämpfungsIkapa-zität für Schwingungen mit kleinen Beanspruchungen
besitzt, kann ,ein Richtmaß für die Frequenz erreicht werden, das eine sehr geringe
Gesamtdämpfung besitzt und demzufolge eine sehr starke Resonanzfrcquenz. Da die
Frequenz von den Abmessungen des schwingenden Körpers abhängt, ist es notwendig,
wie bei allen Frequenzrichtmaßen ' die schwingende Körper enthalten, die
Temperatur genau zu steuern. Die Erregung durch dieses Gerät beschränkt die Wahl
des ##'crkstoffes für den schwingenden Körper nicht auf Metall; es 'können auch
elektrisch nicht leitende Stoffe verwendet werden, wenn eine geeignete metallische
Auflage angebracht wird; 4. zum Nachweis von Schwingungen in einer umlaufend,en
Welle, unabhängig von der Geschwindi-kei t der Umdrehung., Die Vorrichtung [kann
z. B. mit der Welle einer Turibine als eine ständige Einrichtuti,g verbunden sein,
wobei die elektromotorischc Kraft, die durch die bei der Kraftübertragung entstehenden
Sch--,vingungskomponentcn des Drühmornentes entwickelt wird, zu einem Oszilloskop
oder zu einem Wellenanalysator ge-
leitet wird.
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Auf diese Weise kann man gefährliche Scbwirtgungen nachweisen und
Anordnungen treffen" um die Geschwindigkeit der Turbine so einzrustellen, daß sie
ausgeschaltet werden.
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Durch die vorliegende Erfindung wird ein verbessertes und billig lierzustellendes
Gerät zum Erregen oder zum Nachweis von Torsionsschwingungen in elastischen Körpern
erreicht.