Vorrichtung zur Prüfung eines Gegenstandes in bezug auf mechanisehe Schwingungen.
Zur Prüfung eines Gegenstandes in bezug auf mechanische Schwingungen sind Schwin gungsaufnehmer und Schwingungsgeber mit einem Tastgliede bekannt, das entgegen der Wirkung einer oder mehrerer Federn an den die Schwingungen ausführenden Gegenstand angedrückt wird.
Das normalerweise stabförmige und in seiner Längsrichtung bewegliche Tastglied schwingt in diesem Falle mit dem Gegenstand mit und die Bewegungen des Tastgliedes gegenüber einer zumindest nahezu in Ruhe befindlichen Masse, z. B. der Hülle, in der das Tastglied untergebracht ist, können zur qualitativen und/oder quantitativen Prüfung der Schwingungen benutzt werden.
Zu diesem Zwecke kann beispielsweise von dem Tastglied entweder direkt oder, zur Erzielung einer Vergrösserung, durch Vermittlung einer Hebelübertragung ein Schreibstift bewegt werden, der die Schwingungen des Tastgliedes auf ein in der Hiille angebrachtes bewegliches Aufzeichenband aufzeichnet.
Auch ist es bekannt, durch die Bewegung des. Tastgliedes einen Lichtstrahl auszulenken, der auf ein lichtempfindliches Aufzeichenband auftrifft oder eine Photozelle steuert, deren Ausgangsspannung, gegebenenfalls nach Verstärkung, einem Eathodenstrahloszillograph zugeführt wird.
Neben den im vorstehenden aufgeführten mechanischen, mechanisch-optischen und me chanisch-optisch-, elektrischen Schwingungsaufnehmern sind mechanisch-elektrische Schwingungsaufnehmer bekannt, die sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Bei diesen Aufnehmern ist z. B. am Tastgliede eine Spule befestigt, die im Felde eines s n der Hiille angebrachten Dauermagneten angeordnet ist, wobei die Ausgangsspannung der Spule ein Mess-und/oder Aufzeichnungsinstrument steuert.
Die vorstehend genannten Schwingungsaufnehmer können auch in umgekehrtem Sinne benutzt werden, also als Schwingungsgeber, bei denen in diesem Falle das Tast glied, z. B. bei dem letztgenannten meeha nisch-elektrischen Schwingungsaufnehmer, dadurch in Schwingung versetzt wird, dass der Spule eine beispielsweise einer Oszillatorschaltung entnommene, sinusf¯rmige Wech selspannung von einstellbarer Frequenz zugeführt wird. Die Bewegung des Tastgliedes kann in diesem Falle, dadurch dass wiederum letzteres an den zu prüfenden Gegenstand angedrückt wird, auf den Gegertstand uber- tragen werden und auf diese Weise kann z.
B. ermittelt werden, welches die Eigen- frequenzen des zu prüfenden Gegenstandes sind,
Im. nachfolgenden ist der grösseren Einfachheit halber haufig nur von einem "Schwingungsaufnehmer"die Rede ; die nachfolgenden Erwägungen gelten jedoch in analoger Weise für einen, ; Schwingungs- geber".
Die Schwingungsaufnehmer der vorlie genden Art bestehen im wesentlichen aus einer Feder, dessen eines Ende mit dem Tast gliede, das andere Ende mit einer zumindest nahezu stillstehenden, gewöhnlich aus der Eülle des Tastgliedes gemeinsam mit den in ihr angebrachten Hilfsgliedern bestehenden Masse verbunden ist. Die Messgrösse wird der Bewegung des Tastgliedes gegen die letzt- genannte Masse entnommen, wobei zu berück- sichtigen ist, da¯ sich ein richtiges Bild der zu prüfenden Schwingungen nur ergibt, wenn einerseits das Tastglied den Bewegungen des s zu prüfenden Gegenstandes genau folgt und anderseits die genannte Masse sich nicht bewegt.
Beim System Tastglied-Feder-Masse soll also verhindert werden, dass die Masse infolge der mit den zu prüfenden Schwingungen schwankenden lDederspannung in Schwingung gerät, Dies kann bekanntlich durch Verwen- dung einer Feder mit geringer Starrheit (Steilheit der Federkannlinie gering) und einer grossen Masse erzieIt werden, sa dass die Eigenfrequenz des Systems F'eder-Masse geringer, bis sogar beispielsweise vier-bis fünfmal kleiner als die niedrigste in den zu prüfenden Schwingungen enthaltene Fre auenz ist.
Es ist bekannt, bei einem Schwingungsaufnehmer zur Erzielung eines grossen Gegendruckes in der Arbeitslage des Tastgliedes bei gernger Eennliniensteilheit im Arbeitspunkt der Feder und geringer Federlänge eine Feder mit einer solchen nichtlinearen Kennlinie zu benutzen, da¯ der Arbeitspunkt auf einem Teil derselben mit einer Steilheit von nahezu Null liegt (siehe"Electrical Engineering"Juni 1937, Seite 706-710).
Es wird in diesem Falle, sogar wenn der Schwingungsaufnehmer ausschliesslich mit der Hand gehalten wird, die genannte Masse stets praktsch in Ruhe sein. Da das. Tastglied aber, wie üblich, in Gleitlagern gefasst ist, entsteht infolge der in den Lagern auftretenden Reibungskräfte eine weitere Bewegungsursache der in Ruhe zu erhaltenden Masse. Die infolgedessen auftretenden Bewe- gungen dieser Masse sind vernachlässigbar, wenn die auf das Tastglied ausgeübten Eräfte mit einer zur Längsrichtung des Tastgliedes senkrechten Richtung sehr gering sind.
In der Praxis jedoch ist dies häufig nicht der Fall und diese Kräfte sind, besonders bei Schwingungsgebern, verhältnismässig gross, um so mehr als das Tastglied mit R cksicht auf das Befolgen grosser Beschleunigungen des zu prüfenden Gegenstandes mit verhältnismässig grosser Kraft an den zu prü- fenden Gegenstand angedrückt werden mués Die in diesem F'alle auftretenden Bewegungen der Masse geben naturgemäss zu ungenauen Messergebnissen Veranlassung.
Es ist auch eine Vorrichtung bekannt (siehe Dissertation von 0. Hofmeister, Jan. 1938, äSchwingungsme¯gerÏte"), bei der durch Zentrierung des Tastgliedesmittels Membranen der durch Lagerreibungskräfte herbeigeführte Nachteil vermieden wird, aber die Membranen führen bei dieser Vorrichtung eine unerwünschte Erhöhung der vorstehend erwähnten Eigenfrequenz herbei, da nun im , System Tastglied-Feder-Masse das Tastglied und die Masse nicht nur durch die übliche Feder,
sondern auch durch die Membranen federnd miteinander verbunden sind und die Eigenfrequenz des Systems Feder-Masse im Arbeitspunkt somit von der Steilheit der durch Summierung der Kennlinien der Feder und der Membranen entstehenden Kennlinie abhängig ist, die grosser ist als die Steilheit der Feder allein.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesse rung der. Sohwingungaaufnehmer oderSchwin- gungsgeber der eingangs erwähnten Gattung unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile.
Erfindungsgemϯ ist das Tastglied vermittels mindestens einer Feder mit solcher nichtlinearer Federkennlinie zentriert, dass die Vorrichtung bei der Prüfung so angedrückt werden kann, da¯ die auftretende mittlere Längenveränderung der Feder einem Arbeitspunkt der Federkennlinie entspricht, der auf einem Teil derselben liegt, dessen Steilheit geringer als deren Anfangssteilheit ist.
Unter Federkennlinie wird im Vorstehen- den und im Nachfolgenden die Kurve ver- standen, die den Zusammenhang zwischen der Längenveränderung der Feder (Abszisse) und der zu deren Herbeiführung erforderlichen, als Ordinate aufgetragenen Eraft, die dem Gegendruck entspricht, darstellt.
Bei den erwähnten bekannten Vorrichtun- gen weisen die federnden Zentrierungsmembranen keine solche nichtlineare Federkenn- linie auf, dass der Arbeitspunkt bei der Prü fung auf einem Teil derselben mit geringerer Steilheit als die Anfangssteilheit liegt.
In der beiliegenden Zeichnung ist beispielsweise eine Ausführungsform des Er findungsgegenstandes dargestellt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Schwin gungsaufnehmer im Längs-bezw. Quer- schnitt.
Fig. 3 stellt eine im Schwingungsaufnehmer nach Fig. 1 und 2 verwendete, gleichzei- tig als Gegendruckfeder dienende Zentrie- rungsfeder in unbelastetem Zustande dar, und
F'ig. 4 zeigt die Kennlinie der Feder nach Fig. 3.
Der in Fig. 1 dargestellte mechanischelektrische Schwingungsaufnehmer besitzt eine zylindrische Hiill, e 1, in der eiii stab formages, in seiner Längsrichtung bewegli- ches Tastglied 2 federnd angeordnet ist. Das Tastglied ist an einem. Ende mit einer Spitze 3 versehen, die an einen schematisch dargestellten Gegenstand 4 angedrückt ist, der die zu priifenden Schwingungen ausführt.
Am andern Ende des Tastgliedes ist eine Spulenbüchse 5 mit einer kleinen Spule 6 befestigt. Die Spule 6 ist im Luftspolt eines magnetischen Grises angeordnet, der von einem ringförmigen Polschuh 7, dem mittleren Teil der Hiille 1, einer durchbohrten Scheibe 8, einem sehr kräftigen Dauermagneten 9 und einem teilweise in die Spule 6 hi einragenden Polstück l0 gebildet wird, das von dem nichtmagnetischen Teil 19 gehalten ist.
Der Weg des Tastgliedes 2 wird durch eine, einen Teil desselben bildenden Scheibe 11 und zwei beiderseits dieser Seheibe angeordneten, in der H lle 1 angebrachten Anschlagseheibe 12 bezw. 13 begrenzt, so da¯ Beschädigungen des Spulensystems infolge zu gro¯er Axialverschiebung des Tastgliedes nicht eintreten können.
Damit auf die Spitze 3 ausgeübte Krafte mit einer zur Längsrichtung des Tastgliedes senkrechten Komponente keine seitlichen Ausweichungen der Spule 6 herbeiführen, wodurch sich die Empfindlichkeit des Schwin gungsaufnehmers ändern und auch Beschädigungen des Spulensystems eintreten können, besteht das Tastglied Åaus zwei gelenkig miteinander verbundenen Teilen 14 und 15. Der Teil 14 des Tastgliedes ist an dem von der Spitze 3 abgewendeten Ende kugelförmig und mit einer mittleren Bohrung versehen.
Das kugelförmige Ende ruht in einer kegel- förmigen Aushöhlung des Teils 15, und dieses Ende ist auch mit einer teilweise erweiterten mittleren. Bohrung versehen, in der ein Stahldraht 16 lose eingesteckt ist, der auch in die entsprechende Bohrung des Teils 14 reicht. Es ist gefunden worden, dass die so ausgebildete gelenkige Verbindung seitliche Bewegungen des Spulensystems verhindert und keine störende Resonanz des Tastgliedes selbst hervorruft.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Tastglied mittels drei haubenförmigen Federn 17 mit nichtlinearer Federkennlinie in der Hülle l zentriert, wobei ausser diesen Zentrierungsfedern keine ändern Federn vorhanden sind. Der Teil 15 des Tastgliedes ist durch an den beiden Enden befestigte Federn zentriert, während der Teil 14 des Tastgliedes durch eine zwischen seinen Enden befestigte Feder zentriert ist.
Da die Federn grösstenteils zu den mit dem Tastgliede mitschwingenden Teilen zu rechnen sind und die schwingende Masse der Schwingungsaufnehmer im Hinblick auf die Befolgung grosser Beschleunigungen tunlichst klein sein soll, ist es erwünscht, die Federn möglichst leicht auszubilden. Mit Bücksicht darauf weisen die verwendeten Federn, wie dies Fig. 3 und der Querschnitt nach Fig. 2 deutlich zeigen, eine regelmässige Sternform mit drei Armen aus üblichem Federstahl auf, so dass sich nebst Mindestgewicht eine gute zentrierende Wirkung ergibt. Das Tastglied ist in je einer kreisförmigen Aussparung im mittleren Teil der aus einer einzigen Platte hergestellten Feder befestigt und die freien Enden der Arme sind abgebogen und an die Innenwand eines zylindrischen Ringes 18 (z.
B. von 5 cm Durchmesser) genietet, dessen Achse mit der Achse des Tastgliedes bereinstimmt. Die Ringe 18 der drei Federn 17, Fig. 1, sind verschieden ausgebildet, aber alle koaxial mit dem Tastglied 2.
In Fig. 4 ist die Kennlinie einer der ver wendeten Zentrierungsfedern dargestellt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist,-weist die ElOurve, welche die Beziehung zwischen der Längen veränderung s (Abszisse) bei Zusammen- drückung der Feder und der dabei auftreten- den Federspannung P (Ordinate) für den elastischen Bereich darstellt, eine nichtlineare Natur auf. Die Kurve weist einen den Ursprung schneidenden, verhältnismässig steil sich erstreckenden Teil a, wobei der Ursprung dem unbelasteten Zustand (Fig. 3) der Feder entspricht, und einen sich nahezu waag recht erstreckenden Teil b auf sowie einen am Teil b anschliessenden, relativ steilen Teil c.
Die Steilheit des Teils b der Kennlinie be trägt weniger als 10 % der des Teils a. Längs dieses Teils tritt eine relativ grosse Längen änderung as bei einer kleinen Druckände- rung A P auf.
Die Kurve ist derart, dass bei der in Fig. 1 dargestellten mittleren Lage des Tastgliedes die Längenveränderung der Feder der Grösse s, entspricht, entsprechend dem auf dem nahezu waagrechten Teil der Kenulinie lie genden Arbeitspunkt A, wobei ein im Hin blick auf die Befolgung gro¯er Beschleuni- gungen vorteilhafter Wert des Gegendruckes entsprechend der Federspannung Py der Fe- der auftritt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist die Feder, trotz der grossen Federspannung, im Falle der Einstellung auf den Arbeits punkt A nur eine geringe Starrheit auf, da kleine Änderungen P der Federspannung ver hältnismässig grossen Änderungen S der Fe derlänge entsprechen, so dass eine geringe Ar beitssteilheit der Kennlinie und somit eine geringe Eigenfrequenz des Schwingungsauf- nehmers erzielbar ist.
Es ist ausdrücklich darauf hinzuweisen, dass die als Schwingungsaufnehmer darge stellte und beschriebene Ausführungsform ohne weiteres als Schwingungsgeber benutzt werden kann, wobei die vorstehend erwähn ten Vorteile sinngemäss auch erzielt werden.
Wo jedoch bei der Verwendung der darge stellten Vorrichtung als Schwingungsaufneh mer die ihr entnommene elektrische Leistung nur sehr gering (z. B.. 0, 1 Watt) zu sein braucht, während die einem Schwingungs geber zu entnehmende mechanische Leistung häufig wesentlich grösser sein soll, muss die als Schwingungsgeber zu benutzende Vor richtung natürlich proportional grösser als die als Schwingungsaufnehmer zu benutzende
Vorrichtung gestaltet werden.
Man könnte ausser den Zentrietungsfedern mit den nichtlinearen Kennlinien auch zu sätzlich noch eine andere Feder mitverwen den, um den Gegendruck zu erzeugen, was aber im allgemeinen weniger vorteilhaft ist, als die Federwirkung ausschliesslich den Zen tiierungsfedern zu übertragen. In so einem Falle kann man Zentrierungsfedern verwen- d. en, deren Kennlinien im Arbeitspunkt eine negative Steilheit haben, so dass die Eigenfrequenz Federn-Masse kleiner ist als ohne die Zentrierungsfedern.
Es ist selbstverständlich für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, dass bei der Verwendung mehrerer Zentrierungsfedern diese alle die gleiche Federkennlinie aufweisen. Unter Umständen kann es zur Erzielung einer grossen Pedervorspannung bei besonders geringer Eigenfrequenz in mecha nischer Hinsicht erwünscht sein, Zentrie- rungsfedern mit voneinander verschiedenen Kennlinien zu verwenden.