WO2007128615A1 - Messeinrichtung zur bestimmung der materialparameter von festen materialproben - Google Patents

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    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants

Definitions

  • Measuring device for determining the material parameters of solid material samples
  • the invention relates to a measuring device for determining the material parameters of solid material samples.
  • the invention has for its object to provide a measuring device for determining the material parameters of solid material samples of a material with simple measures.
  • the material parameters of brake linings for vehicles should be able to be determined under the operating conditions typical for brake squeal.
  • the material parameters such as modulus of elasticity and damping coefficient of a solid material sample of a basically arbitrary material can be determined.
  • Further areas of application of the measuring device according to the invention may be the examination of porous materials or of plastics which are used, for example, for vibration damping, or of composite materials which are loaded with high-frequency vibrations.
  • a simply constructed measuring device for determining the material parameters material samples for example of brake pads, consists of at least one actuator, which comprises at least one electrically excitable piezoelectric element, and a Sample holder, in which the examining material sample is received, wherein the actuator and the sample holder are arranged coaxially and therefore have a common longitudinal axis.
  • the vibrations generated by the electrically excitable piezoelectric element are transmitted to the sample holder and the material sample received in the sample holder, which is accordingly likewise set in vibration.
  • the vibration excitation is preferably carried out in a frequency range which includes the frequencies occurring during brake squeal and is advantageously in the kilohertz range, for example between 2 kHz and 6 kHz.
  • the vibrations transmitted to the material sample are measured, for example, with the aid of piezo sensors, wherein the measured values can be evaluated in the form of an electrical or mechanical frequency response during excitation over a given frequency spectrum, the ratio of current strength to excitation voltage or mechanical transmission function as electrical transfer function Represents the ratio of the speed of displacement to the excitation voltage.
  • These frequency responses correlate with the modulus of elasticity and the damping coefficient of the material sample, so that the desired parameters of the material sample can be deduced from the measured values which are obtained during a vibration excitation via the piezoelements.
  • the material parameters of the examined material sample can be determined from known relationships by evaluation.
  • the preload transferred to the material sample can be determined by suitable means such as strain gauges.
  • piezoelectric element which propagate along the longitudinal axis of the measuring device, ie along the actuator axis or the Spread the longitudinal axis of the sample holder.
  • piezoelectric elements can be combined to form a stack. These piezo elements are held together between two terminal pieces of the actuator and are excited via a power electronics to the desired vibrations.
  • the entire measuring device is excited to determine the parameters in the resonance range, such that the range of the excitation frequency comprises the resonance frequency of the measuring device.
  • the geometry of the measuring device and the material must be tuned to the desired operating frequency.
  • the excitation takes place in such a way that both the or the piezo elements and the material sample are in each case in a vibration node of the impressed oscillation.
  • the measuring device is preferably excited to long oscillations.
  • alternative forms of vibration such as shearing or bending vibrations, can be used to determine the material parameters of the material sample.
  • the determination of the tangential stiffness of the material sample can also be considered by means of a suitably prepared construction.
  • the material sample is advantageously biased.
  • the sample holder on a suitable bias unit, via the material sample can be placed under the desired preload.
  • the material sample is accommodated in a sleeve, at the two open end sides of each of which a sample rod is held in a force-locking manner, wherein the axial position of the sample rods and thus also the force acting on the sample force is variable.
  • the opposite sample rods are connected via a right-hand and a left-hand thread to the sleeve, which opens up the possibility of applying torsion-free over the end faces of the sample rods, a tension on the material sample in the axial direction.
  • a recess for example in the form of a slot to allow the attachment of a measuring unit, in particular a non-contact measuring unit such as a laser vibrometer on the material sample or a piezoelectric sensor for measuring the amplitude of vibration.
  • a measuring unit in particular a non-contact measuring unit such as a laser vibrometer on the material sample or a piezoelectric sensor for measuring the amplitude of vibration.
  • the bias voltage can be measured.
  • Fig. 1 is an illustration of the stabformigen measuring device with an actuator containing a stack of six piezoelectric elements for vibration generation, and an axially adjoining the actuator sample part in which a sample holder is recorded with a material sample to which the material parameters are to be determined .
  • 2 is an enlarged view of the actuator from the region of the piezo stack,
  • FIG 3 shows an enlarged view of the sample holder from the sample part with the material sample received therein.
  • the measuring device 1 shown in Fig. 1 - also called converter - is suitable for generating long oscillations, which act on a material sample 9, for example, a brake pad for vehicles, measured via measuring units expansions, voltages or correlating values as a result of the vibration excitation and Determination of material parameters of the material sample are used.
  • the measuring device 1 has a rod-shaped construction and comprises an actuator 2 and a sample part 3, which adjoins the actuator at the end side and is arranged coaxially with the actuator 2; Actuator 2 and the sample part 3 have the same longitudinal axis 12.
  • the actuator 2 consists of a piezo stack 6 between two clamping pieces 4 and 5, of which the marginal Klemmstuck 4 is cylindrical and the sample part 3 facing Klemmstuck 5 konusformig with decreasing in the direction of the sample part 3 diameter, wherein the sample part facing end face the same diameter as an adapter piece 7, via which the transition to the sample part 3 is produced.
  • the adapter piece 7 has the same diameter as the adjoining component on the sample part 3.
  • the conical clamping piece 5 serves to amplify the amplitude.
  • the piezo stack 6 is arranged with a plurality of individual piezo elements, which have a power electronics with AC voltage in the desired Excitation frequency are applied, whereupon the piezoelectric elements with the appropriate frequency in the direction of the longitudinal axis 12 expand or contract, which triggers the desired long oscillations.
  • a vibration amplification is achieved.
  • the combined in the stack 6 piezo elements 13 are acted upon synchronously with AC voltage.
  • the entire measuring device 1 is expediently floating in order to avoid unwanted vibration nodes, which could arise in the case of a clamping.
  • the actuator 2 is excited with the piezo elements in a frequency range between about 2 kHz and about 6 kHz; this frequency range includes the frequencies typical for brake squeal, which are exemplary in the range of 3.8 kHz.
  • the piezo stack 6 consists of a plurality of parallel, directly adjoining individual piezo elements 13.
  • a total of six piezo elements are provided, each of which has a disc shape and a central recess. through which a connecting screw 14 is guided, which holds together the two clamping pieces 4 and 5 on both sides of the piezo stack 6 and secures the individual piezo elements 13 between the clamping pieces 4 and 5.
  • the screw 14 is axially guided in the region of the piezo stack 6 by a Schutzhulse 15.
  • the individual piezoelectric elements 6 are connected to the power electronics and are supplied via this with AC voltage in the desired frequency.
  • the sample part 3 is shown with the sample holder 8 in an enlarged view and partially cut away.
  • the sample holder 8 is designed as a sleeve, in the end faces of the sample rods 10 and 11 are screwed.
  • the two sample rods via differently oriented threads, ie via a right-hand thread and a left-hand thread with the sample holder 8, which opens up the possibility, recorded in the sample holder 8, disk-shaped material sample 9 at its two faces torsion from the facing end faces of the sample rods 10 or 11 to be acted upon.
  • the sample holder 8 has a greater axial extent than the material sample 9, wherein a slot-shaped, extending in the axial direction recess 16 is introduced into the wall of the sample holder 8 at the level of the material sample, so that in the region of this recess 16, the material sample 9 is exposed and measurements can be performed on the material sample. These measurements can be done either touching or non-contact; For example, strain gauges or non-contact scanning measuring devices and methods are possible.
  • the measuring device is set into longitudinal vibrations by actuation of the piezoelectric elements after application of a prestressing force acting on the material sample, with expansions, stresses or related parameters being recorded at the level of the material sample.
  • the electrical frequency response I / U (so-called input admittance) from the ratio of current I to voltage U and the mechanical frequency response v / U (so-called core admittance) from the ratio of shift speed v at the peak the sample rod 11, measured in the longitudinal direction, to excitation voltage U are determined.
  • the sought material parameters E modulus E and damping coefficient tan ⁇ can be determined according to established relationships.
  • the modulus E is mathematically composed of a real part E ', which designates the memory part, and an imaginary part E ", which designates the dissipation part, together:
  • the damping coefficient tan ⁇ is determined from the ratio of imaginary part E "of the modulus of elasticity to the real part E ':
  • the determination of the modulus of elasticity E and of the damping coefficient tan ⁇ can also be based on the course of measured values in the time domain.
  • the measuring device is constructed as a stack longitudinal oscillator.
  • shear or bending vibrations come as excitation vibrations into consideration.
  • alternative cross-sectional shapes can be used both for the area of the piezoelectric elements and for the material sample.
  • the measured values recorded in the measuring unit and related to the material sample are fed to a measured value evaluation unit in which the evaluation of the measured values is carried out.
  • the evaluation unit the determination of the material parameters of the material sample takes place.

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Abstract

Eine Messeinrichtung (1) zur Bestimmung der Materialparameter einer festen Materialprobe (9) eines Werkstoffes umfasst eine Probenhalterung (8) zur Aufnahme der zu untersuchenden Materialprobe, einen Aktor (2) zur Erzeugung einer Anregungsschwingung, eine Messeinheit und eine Messwert- Auswerteeinheit, wobei der Aktor mindestens ein elektrisch anzuregendes Piezoelement (6) umfasst und der Aktor und die Probenhalterung eine gemeinsame Längsachse (12) aufweisen.

Description

Beschreibung
Titel
Messeinrichtung zur Bestimmung der Materialparameter von festen Materialproben
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Materialparameter von festen Materialproben.
Stand der Technik
Zur Bestimmung des E-Moduls und des Dämpfungskoeffizienten von Bremsbelägen, die in Kraftfahrzeugen Verwendung finden, sind experimentelle Methoden bekannt, beispielsweise die Durchführung von Kompressibilitätsversuchen, bei denen die Bremsbeläge quasistatisch belastet und ihre Deformation gemessen wird. Allerdings ist beim Kompressibilitätsversuch eine Charakterisierung dieser Materialparameter unter den für Bremsenquietschen typischen Bedingungen nicht möglich, da weder die für das Bremsenquietschen charakteristischen Frequenzen noch die entsprechenden Amplituden erzeugt werden können. Da die Materialparameter aber vom Bremsdruck sowie der Frequenz und der Amplitude abhängen, müssen zur exakten Bestimmung dieser Parameter die beim Bremsenquietschen typischen Betriebsbedingungen hergestellt werden.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Materialparameter von festen Materialproben eines Werkstoffes anzugeben. Es sollen insbesondere die Materialparameter von Bremsbelägen für Fahrzeuge unter den für das Bremsenquietschen typischen Betriebsbedingungen bestimmt werden können.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können die Materialparameter wie Elastizitätsmodul und Dämpfungskoeffizient einer festen Materialprobe eines prinzipiell beliebigen Werkstoffes bestimmt werden. Es können insbesondere Materialproben von Bremsbelägen untersucht werden, die in einer Bremseinrichtung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird, und zwar unter Bedingungen, die auch beim realen Bremsenquietschen auftreten. Diese Bedingungen werden maßgebend von dem Frequenzbereich bestimmt, der für Bremsenquietschen typisch ist, sowie der Vorspannung, unter dem die Materialprobe steht. Weitere Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können die Untersuchung poröser Materialen oder von Kunststoffen sein, die beispielsweise zur Schwingungsdämpfung eingesetzt werden, oder von Kompositwerkstoffen, die mit hochfrequenten Schwingungen belastet sind.
Eine einfach aufgebaute Messeinrichtung zur Bestimmung der Materialparameter Materialproben, beispielsweise von Bremsbelägen, besteht aus mindestens einem Aktor, der zumindest ein elektrisch anregbares Piezoelement umfasst, und einer Probenhalterung, in der die untersuchende Materialprobe aufgenommen ist, wobei der Aktor und die Probenhalterung koaxial angeordnet sind und demzufolge eine gemeinsame Langsachse aufweisen. Die von dem elektrisch anregbaren Piezoelement erzeugten Schwingungen werden auf die Probenhalterung und die in der Probenhalterung aufgenommene Materialprobe übertragen, die dementsprechend ebenfalls in Schwingungen versetzt wird. Die Schwingungsanregung erfolgt vorzugsweise in einem Frequenzbereich, der die beim Bremsenquietschen auftretenden Frequenzen einschließt und vorteilhaft im Kilohertzbereich liegt, beispielsweise zwischen 2 kHz und 6 kHz. Die auf die Materialprobe übertragenen Schwingungen werden beispielsweise mithilfe von Piezosensoren gemessen, wobei die Messwerte bei einer Anregung über einem vorgegebenen Frequenzspektrum in Form eines elektrischen oder mechanischen Frequenzganges ausgewertet werden können, der als elektrische Ubertragungsfunktion das Verhältnis von Stromstarke zur Anregungsspannung bzw. als mechanische Ubertragungsfunktion das Verhältnis von Verschiebungsgeschwindigkeit zur Anregungsspannung darstellt. Diese Frequenzgange korrelieren mit dem Elastizitätsmodul und dem Dampfungskoeffizienten der Materialprobe, so dass aus den Messwerten, die bei einer Schwingungsanregung über die Piezoelemente gewonnen werden, auf die gesuchten Parameter der Materialprobe geschlossen werden kann. Aus den typischen Kenngroßen der Frequenzverlaufe wie Resonanzuberhohung und Bandbreite können die Materialparameter der untersuchten Materialprobe aus bekannten Zusammenhangen durch Auswertung bestimmt werden. Die auf die Materialprobe übertragene Vorspannung kann mittels geeigneter Einrichtungen, beispielsweise mithilfe von Dehnmessstreifen bestimmt werden.
Zweckmäßig werden in dem Piezoelement Langsschwingungen erzeugt, welche sich entlang der Langsachse der Messeinrichtung, also entlang der Aktorachse bzw. der Langsachse der Probenhalterung ausbreiten. Zur Schwingungsverstarkung können mehrere Piezoelemente zu einem Stapel zusammengefasst werden. Diese Piezoelemente sind zwischen zwei Klemmstucken des Aktors zusammengehalten und werden über eine Leistungselektronik zu den gewünschten Schwingungen angeregt.
Die gesamte Messeinrichtung wird zur Bestimmung der Parameter im Resonanzbereich angeregt, derart, dass der Bereich der Anregungsfrequenz die Resonanzfrequenz der Messeinrichtung umfasst. Um die Anregung in der Resonanzfrequenz zu ermöglichen, muss die Geometrie der Messeinrichtung sowie der Werkstoff auf die gewünschte Betriebsfrequenz abgestimmt sein. Der Aktor und das Probenteil, das die Probenhalterung zwischen zwei Probenstangen umfasst, weisen jeweils vorteilhaft die gleiche Eigenfrequenz auf, wobei die Grundgeometrie beispielsweise mithilfe der Methode der Halbwellensynthese festgelegt wird. Zweckmäßig erfolgt die Anregung in der Weise, dass sowohl das bzw. die Piezoelemente als auch die Materialprobe jeweils in einem Schwingungsknoten der aufgeprägten Schwingung liegen.
Die Messeinrichtung wird bevorzugt zu Langsschwingungen angeregt. Grundsatzlich können aber auch alternative Schwingungsformen wie Scher- oder Biegeschwingungen für die Bestimmung der Materialparameter der Materialprobe herangezogen werden. Über einen entsprechend hergerichteten Aufbau kommt auch die Bestimmung der Tangentialsteifigkeit der Materialprobe in Betracht.
Um eine bestmögliche Annäherung an die realen Betriebsbedingungen zu erhalten, wird die Materialprobe vorteilhaft unter Vorspannung gesetzt. Hierfür weist die Probenhalterung eine geeignete Vorspannungseinheit auf, über die die Materialprobe unter die gewünschte Vorspannung gesetzt werden kann. Beispielsweise ist die Materialprobe in einer Hülse aufgenommen, an deren beiden offenen Stirnseiten jeweils eine Probenstange kraftschlussig gehalten ist, wobei die axiale Position der Probenstangen und damit auch die auf die Probe wirkende Kraft veränderbar ist. In einer besonders bevorzugten Ausfuhrung sind die gegenüberliegenden Probenstangen über ein Rechts- und ein Linksgewinde mit der Hülse verbunden, was die Möglichkeit eröffnet, torsionsfrei über die Stirnseiten der Probenstangen eine Spannung auf die Materialprobe in Achsrichtung aufzubringen. In die Wandung der Hülse kann eine Ausnehmung beispielsweise in Form eines Schlitzes eingebracht sein, um die Anbringung einer Messeinheit, insbesondere einer beruhrungslosen Messeinheit wie zum Beispiel einem Laservibrometer an der Materialprobe oder auch eines Piezosensors zur Messung der Schwingkraftamplitude zu ermöglichen. Über Dehnmessstreifen kann die Vorspannung gemessen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausfuhrungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der stabformigen Messeinrichtung mit einem Aktor, der einen Stapel von insgesamt sechs Piezoelementen zur Schwingungserzeugung enthalt, und einem sich axial an den Aktor anschließenden Probenteil, in dem eine Probenhalterung mit einer Materialprobe aufgenommen ist, zu der die Materialparameter bestimmt werden sollen, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Aktors aus dem Bereich des Piezostapels,
Fig.3 eine vergrößerte Darstellung der Probenhalterung aus dem Probenteil mit der darin aufgenommenen Materialprobe .
Ausfuhrungsform der Erfindung
Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung 1 - auch Konverter genannt - eignet sich zur Erzeugung von Langsschwingungen, die auf eine Materialprobe 9 beispielsweise eines Bremsbelags für Fahrzeuge einwirken, wobei über Messeinheiten Dehnungen, Spannungen bzw. hiermit korrelierende Werte als Reaktion der Schwingungsanregung gemessen und zur Bestimmung von Materialparametern der Materialprobe herangezogen werden. Die Messeinrichtung 1 ist stabformig aufgebaut und umfasst einen Aktor 2 und ein sich stirnseitig an den Aktor anschließendes, koaxial zum Aktor 2 angeordnetes Probenteil 3; Aktor 2 und der Probenteil 3 weisen die gleiche Langsachse 12 auf. Der Aktor 2 besteht aus einem Piezostapel 6 zwischen zwei Klemmstucken 4 und 5, von denen das randseitige Klemmstuck 4 zylindrisch und das dem Probenteil 3 zugewandte Klemmstuck 5 konusformig mit in Richtung Probenteil 3 abnehmendem Durchmesser ausgebildet ist, wobei die dem Probenteil zugewandte Stirnseite den gleichen Durchmesser wie ein Adapterstuck 7 aufweist, über das der Übergang zum Probenteil 3 hergestellt wird. Das Adapterstuck 7 besitzt den selben Durchmesser wie das sich anschließende Bauteil am Probenteil 3. Das konusformige Klemmstuck 5 dient der Amplitudenverstarkung .
Zwischen den Klemmstucken 4 und 5 ist der Piezostapel 6 mit einer Mehrzahl einzelner Piezoelemente angeordnet, die über eine Leistungselektronik mit Wechselspannung in der gewünschten Anregungsfrequenz beaufschlagt werden, woraufhin sich die Piezoelemente mit der entsprechenden Frequenz in Richtung der Langsachse 12 ausdehnen bzw. zusammenziehen, was die gewünschten Langsschwingungen auslost. Über die Stapelung parallel angeordneter Piezoelemente 13 (Fig. 2) wird eine Schwingungsverstarkung erzielt. Die im Stapel 6 zusammengefassten Piezoelemente 13 werden synchron mit Wechselspannung beaufschlagt.
Die gesamte Messeinrichtung 1 ist zweckmäßig schwimmend gelagert, um unerwünschte Schwingungsknoten zu vermeiden, die im Falle einer Einspannung entstehen konnten. Angeregt wird der Aktor 2 mit den Piezoelementen in einem Frequenzbereich zwischen etwa 2 kHz und etwa 6 kHz; dieser Frequenzbereich umfasst die für das Bremsenquietschen typischen Frequenzen, die beispielhaft im Bereich von 3.8 kHz liegen.
Wie der vergrößerten Darstellung des Aktors 2 gemäß Fig. 2 zu entnehmen, besteht der Piezostapel 6 aus einer Mehrzahl parallel angeordneter, unmittelbar aneinander liegender einzelner Piezoelemente 13. Im Ausfuhrungsbeispiel sind insgesamt sechs Piezoelemente vorgesehen, die jeweils scheibenförmig ausgeführt sind und eine zentrale Ausnehmung aufweisen, durch die eine verbindende Schraube 14 gefuhrt ist, welche die beiden Klemmstucke 4 und 5 zu beiden Seiten des Piezostapels 6 zusammenhält und die einzelnen Piezoelemente 13 zwischen den Klemmstucken 4 und 5 sichert. Um unerwünschte Reibung bei der Schwingungsbewegung der Piezoelemente 13 an der Mantelflache der Schraube 14 zu vermeiden, ist die Schraube 14 im Bereich des Piezostapels 6 axial durch eine Schutzhulse 15 gefuhrt. Die einzelnen Piezoelemente 6 sind an die Leistungselektronik angeschlossen und werden über diese mit Wechselspannung in der gewünschten Frequenz versorgt. In Fig. 3 ist das Probenteil 3 mit der Probenhalterung 8 in vergrößerter Ansicht und teilweise aufgeschnitten dargestellt. Die Probenhalterung 8 ist als Hülse ausgeführt, in deren Stirnseiten die Probenstangen 10 und 11 einschraubbar sind. Zweckmäßig sind die beiden Probenstangen über unterschiedlich gerichtete Gewinde, also über ein Rechtsgewinde und ein Linksgewinde mit der Probenhalterung 8 zu verbinden, was die Möglichkeit eröffnet, die in der Probenhalterung 8 aufgenommene, scheibenförmige Materialprobe 9 an ihren beiden Stirnflächen torsionsfrei von den zugewandten Stirnseiten der Probenstangen 10 bzw. 11 beaufschlagen zu lassen. Die Probenhalterung 8 weist eine größere axiale Erstreckung auf als die Materialprobe 9, wobei in Höhe der Materialprobe eine schlitzförmige, sich in Achsrichtung erstreckende Ausnehmung 16 in die Wandung der Probenhalterung 8 eingebracht ist, so dass im Bereich dieser Ausnehmung 16 die Materialprobe 9 freiliegt und Messungen an der Materialprobe ausgeführt werden können. Diese Messungen können entweder berührend oder berührungslos durchgeführt werden; in Frage kommen beispielsweise Dehnmessstreifen oder berührungslos abtastende Messeinrichtungen und -verfahren.
Zur Bestimmung der Materialparameter Elastizitätsmodul E und Dämpfungskoeffizient tanδ wird die Messeinrichtung durch Betätigung der Piezoelemente nach Aufbringen einer auf die Materialprobe wirkenden Vorspannung in Längsschwingungen versetzt, wobei Dehnungen, Spannungen bzw. hiermit zusammenhängende Messgrößen in Höhe der Materialprobe aufgenommen werden. Beispielweise kann bei einer Anregung über einen festgelegten Frequenzbereich der elektrische Frequenzgang I/U (so genannte Eingangsadmittanz) aus dem Verhältnis von Strom I zu Spannung U sowie der mechanische Frequenzgang v/U (so genannte Kernadmittanz) aus dem Verhältnis von Verschiebungsgeschwindigkeit v an der Spitze der Probenstange 11, gemessen in Längsrichtung, zu Anregungsspannung U bestimmt werden. Aus den Frequenzgängen können die gesuchten Materialparameter E-Modul E und Dämpfungskoeffizient tanδ gemäß festliegender Zusammenhänge ermittelt werden.
Der E-Modul E setzt sich mathematisch aus einem Realteil E', der den Speicheranteil bezeichnet, und einem Imaginärteil E'', der den Dissipationsanteil bezeichnet, zusammen:
E = E' + E' '
Der Dämpfungskoeffizient tanδ bestimmt sich aus dem Verhältnis von Imaginärteil E'' des E-Moduls zum Realteil E':
tanδ = E' ' /E'
Alternativ zu den Frequenzgängen kann der Bestimmung des E- Moduls E und des Dämpfungskoeffizienten tanδ auch der Verlauf gemessener Werte im Zeitbereich zugrunde gelegt werden.
Bevorzugt ist die Messeinrichtung als Stapel-Längsschwinger aufgebaut. Grundsätzlich kommen aber auch Scher- oder Biegeschwingungen als Anregungsschwingungen in Betracht. Darüber hinaus können auch alternative Querschnittsformen sowohl für den Bereich der Piezoelemente als auch für die Materialprobe verwendet werden.
Die in der Messeinheit aufgenommenen, auf die Materialprobe bezogenen Messwerte werden einer Messwert-Auswerteeinheit zugeführt, in der die Auswertung der Messwerte durchgeführt wird. In dieser Auswerteeinheit findet die Bestimmung der Materialparameter der Materialprobe statt.

Claims

Ansprüche
1. Messeinrichtung zur Bestimmung der Materialparameter einer festen Materialprobe eines Werkstoffes, mit einer Probenhalterung (8) zur Aufnahme der zu untersuchenden Materialprobe (9), einem Aktor (2) zur Erzeugung einer auf die Materialprobe (9) wirkenden Anregungsschwingung, einer Messeinheit und einer Messwert-Auswerteeinheit, wobei der Aktor
(2) mindestens ein elektrisch anzuregendes Piezoelement (13) umfasst und der Aktor (2) und die Probenhalterung (8) eine gemeinsame Längsachse (12) aufweisen.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (13) Längsschwingungen erzeugt, die sich entlang der Längsachse (12) der Messeinrichtung (1) ausbreiten.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Piezoelemente (13) zu einem Stapel zusammengefasst sind.
4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine stabförmige Ausführung.
5. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (2) und das Probenteil (3) jeweils die gleiche
Eigenfrequenz aufweisen.
6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Piezoelement (13) zwischen zwei Klemmstücken (4, 5) gehalten ist.
7. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenhalterung (8) einschließlich der Materialprobe (9) zwischen zwei Probenstangen (10, 11) aufgenommen ist, wobei die Probenstangen (10, 11) und die Probenhalterung (8) ein koaxial zum Aktor (2) angeordnetes Probenteil (3) bilden.
8. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenhalterung (8) eine Vorspannungseinheit aufweist, über die die Materialprobe (9) mit Vorspannung zu beaufschlagen ist .
9. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenstangen (10, 11) mit jeweils einer Stirnseite der Probenhalterung (8) kraftschlüssig verbunden sind, wobei die erste Probenstange (10) über ein Rechtsgewinde und die zweite Probenstange (11) über ein Linksgewinde mit der Probenhalterung (8) verbunden ist.
10. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die Wandung der Probenhalterung (8) eine Ausnehmung (16) zur Anbringung einer Messeinheit eingebracht ist.
11. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über das Piezoelement (13) Schwingungen im Kilohertzbereich, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 6 kHz erzeugbar sind.
12. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Materialproben (9) von Bremsbelägen für Fahrzeuge einsetzbar sind.
13. Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem mindestens ein Piezoelement
(13) im Bereich der Resonanzfrequenz der Messeinrichtung (1) angeregt, die Dehnung der Materialprobe (9) in Schwingungsrichtung oder ein hiermit korrelierender Wert gemessen und aus den Messwerten der Elastizitätsmodul (E) und der Dämpfungskoeffizient (tanδ) der Materialprobe (9) bestimmt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) in der Weise durch das Piezoelement (13) angeregt wird, dass die Materialprobe (9) in einem Schwingungsknoten liegt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) zu Längsschwingungen angeregt wird.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010016329A1 (de) * 2010-04-06 2011-10-06 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Schwingungsverhaltens eines Bremsbelags im Kraftfahrzeugbereich
DE102013221096A1 (de) * 2013-10-17 2015-04-23 Rolls-Royce Mechanical Test Operations Centre Gmbh Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen und Verfahren zur Berechnung der Resonanzfrequenz einer solchen Vorrichtung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2060179A (en) 1979-10-02 1981-04-29 Schenck Ag Carl A materials testing machine
EP1376097A2 (de) 2002-06-19 2004-01-02 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Vorrichtung und Verfahren für Ermüdungsprüfung an dünnen Platten
DE102004053404A1 (de) * 2004-11-05 2006-05-18 Tutech Innovation Gmbh Vorrichtung zur Messung von Materialeigenschaften einer Probe

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005003013B3 (de) * 2005-01-21 2006-09-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur dynamischen Belastungsprüfung einer Probe

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2060179A (en) 1979-10-02 1981-04-29 Schenck Ag Carl A materials testing machine
EP1376097A2 (de) 2002-06-19 2004-01-02 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Vorrichtung und Verfahren für Ermüdungsprüfung an dünnen Platten
DE102004053404A1 (de) * 2004-11-05 2006-05-18 Tutech Innovation Gmbh Vorrichtung zur Messung von Materialeigenschaften einer Probe

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STANZL-TSCHEGG ET AL.: "Ultrasonics", vol. 31, January 1993, IPC SCIENCE AND TECHNOLOGY PRESS LTD., article "High frequency method for torsion fatigue testing"
STANZL-TSCHEGG S E ET AL: "HIGH FREQUENCY METHOD FOR TORSION FATIGUE TESTING", ULTRASONICS, IPC SCIENCE AND TECHNOLOGY PRESS LTD. GUILDFORD, GB, vol. 31, no. 4, January 1993 (1993-01-01), pages 275 - 280, XP000382856, ISSN: 0041-624X *

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