DE1130631B

DE1130631B - Oscillating system with continuously variable frequency and amplitude, especially for vibrating tables, dynamic material testing machines and the like like

Info

Publication number: DE1130631B
Application number: DESCH27311A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinz Kreiskorte
Original assignee: Carl Schenck Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1960-01-22
Filing date: 1960-01-22
Publication date: 1962-05-30
Also published as: CH392949A; GB946589A

Description

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Schwingsystem mit stufenlos veränderlicher Frequenz und Amplitude, bei dem die schwingenden Massen an einem membranartigen, zwischen Grundplattenoberund -unterteil fest eingespannten Federelement schwingfähig befestigt sind, wobei dessen Federkonstante mittels einer Verstellkraft veränderbar ist, insbesondere für Rütteltische oder dynamische Werkstoffprüfmaschinen. The invention relates to a mechanical oscillating system with continuously variable frequency and Amplitude at which the vibrating masses on a membrane-like, between the base plate -bottom part firmly clamped spring element are attached to vibrate, with its spring constant can be changed by means of an adjusting force, in particular for vibrating tables or dynamic material testing machines.

Rütteltische für verschiedenartige Verwendungszwecke, z. B. zum Prüfen erschütterungsempfindlicher Geräte oder zum Eichen von Schwingungsprüfgeräten, sind bekannt. Rütteltische werden häufig mit einer Kurbel formschlüssig angetrieben. Dabei ist jedoch die Wegamplitude meist nur im Stillstand veränderbar, weil eine Verstellung während des Betriebes einen zu erheblichen mechanischen Aufwand erfordert. Diese Tatsache ist schon immer als nachteilig empfunden worden; denn eine Wegamplitudenänderung ist meistens erforderlich, um neben einer beliebigen Zuordnung von Frequenz und Wegamplitude auch eine konstante Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsamplitude verwirklichen zu können. Hierfür aber braucht man eine bestimmte Veränderung der Wegamplitude zusammen mit der Frequenzänderung. Bei einer anderen Gruppe von Rütteltischen wird die gesamte Energie zur Beschleunigung des Tisches und der Prüfkörper elektronisch erzeugt. Es wurde auch schon verschiedentlich versucht, ein praktisch brauchbares Resonanzsystem zu finden, dessen Eigenfrequenz während des Betriebes kontinuierlich veränderbar ist. So ist eine Anordnung bekannt, bei der bei einem aus einer Masse und einer Feder bestehenden Schwingsystem die Federkonstante durch kontinuierliche Veränderung der elastischen Federlänge geändert werden sollte. Die Verwirklichung dieses Gedankens bereitet jedoch große Schwierigkeiten durch die Randbedingungen der Federeinspannung. Insbesondere bei hohen Frequenzen wirken sich Spiel und Reibung an Einspannstellen ungünstig auf das Schwingverhalten der Vorrichtung aus. Wenn die Federkonstantenänderung durch teilweise Blockierung einer schraubenförmig gewundenen Feder mit Hilfe einer Mutter vorgenommen wird, kommt zu den unbestimmten Randbedingungen noch die erhebliche Gefahr der Federbeschädigung durch Kerbspannungen hinzu.Vibrating tables for various purposes, e.g. B. for testing vibration sensitive Devices or for calibrating vibration test devices are known. Vibrating tables often come with a Crank positively driven. However, the displacement amplitude can usually only be changed at a standstill, because an adjustment during operation requires too considerable mechanical effort. This fact has always been felt to be disadvantageous; because a path amplitude change is mostly required in addition to any assignment of frequency and displacement amplitude to be able to realize a constant speed or acceleration amplitude. For this, however, you need a certain change in the displacement amplitude together with the change in frequency. With another group of vibrating tables, all the energy is used for acceleration of the table and the test body generated electronically. Attempts have also been made on various occasions to establish a to find a practically usable resonance system whose natural frequency is continuous during operation is changeable. So an arrangement is known in which in one of a mass and a Spring existing oscillation system the spring constant by continuously changing the elastic Spring length should be changed. The realization of this thought, however, prepares great things Difficulties due to the boundary conditions of the spring restraint. Especially at high frequencies Play and friction at the clamping points have an unfavorable effect on the vibration behavior of the device the end. When the spring constant change by partially blocking a helical coiled spring is made with the help of a nut, there are indefinite boundary conditions there is also the considerable risk of spring damage due to notch stresses.

Es sind auch schon mechanische Schwingsysteme bekannt, bei denen Federn mit progressiver Federkonstante verwendet werden, um z. B. elektromagnetische Schwingmotore unempfindlich gegen Netzspannungs- und Frequenzschwankungen zu machen. Hier-There are also mechanical vibration systems are known in which springs with a progressive spring rate are used to z. B. electromagnetic To make oscillating motors insensitive to mains voltage and frequency fluctuations. Here-

mit stufenlos veränderlicher Frequenzwith continuously variable frequency

und Amplitude, insbesondere für Rütteltische, dynamische Werkstoffprüfmaschinen u. dgl.and amplitude, especially for vibrating tables, dynamic material testing machines and the like.

Anmelder:Applicant:

Carl Schenck Maschinenfabrik G. m. b. H., Darmstadt, Landwehrstr. 55Carl Schenck Maschinenfabrik G. m. B. H., Darmstadt, Landwehrstr. 55

Dr.-Ing. Heinz Kreiskorte, Darmstadt, ist als Erfinder genannt wordenDr.-Ing. Heinz Kreiskorte, Darmstadt, has been named as the inventor

bei werden Federn mit linearer und progressiver Federkonstante parallel geschaltet. Durch die progressive Feder werden die Amplituden, die einen bestimmten Wert überschreiten, stärker gedämpft.with springs with linear and progressive spring constant are connected in parallel. Through the progressive Spring, the amplitudes that exceed a certain value are dampened more.

Weiterhin ist ein elektromagnetischer Schwingungsmotor bekannt, bei dem über ein Federelement die Vorspannung einer die Freimasse tragenden Gummifeder verändert wird. Die federnden Eigenschaften des Federelements werden bei dieser bekannten Anordnung dazu benutzt, um eine feste Auflage auf das die Verstellkraft erzeugende Element, z. B. eine Verstellschraube, zu erzielen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingsystem, insbesondere für Rütteltische oder dynamische Werkstoffprüfmaschinen, das nach dem Resonanzprinzip arbeitet. Demzufolge braucht nur ein Teil der benötigten Beschleunigungskräfte durch den Schwingungserreger erzeugt zu werden. Bei genügender Resonanzüberhöhung hat außerdem der zeitliche Verlauf der Erregung keinen beachtlichen Einfluß auf die Schwingungsform, d. h., man kann z. B. mit impulsförmiger Erregung eine sehr angenäherte Sinusschwingung erzeugen. Die Amplitude derartiger Rütteltische läßt sich leicht nach Bedarf einstellen. Dies kann z. B. durch eine Veränderung der Erregungsfrequenz im ansteigenden oder abfallenden Bereich der Resonanzkurve oder durch Änderung der Erregerleistung geschehen, wenn das System auf oder nahe der Resonanzspitze arbeiten soll.Furthermore, an electromagnetic vibration motor is known in which the bias of a rubber spring carrying the free mass is changed via a spring element. The resilient properties of the spring element are used in this known arrangement to provide a firm support on the element generating the adjusting force, for. B. an adjustment screw to achieve.
The invention relates to a vibration system, in particular for vibrating tables or dynamic material testing machines, which works according to the resonance principle. As a result, only part of the required acceleration forces need to be generated by the vibration exciter. In addition, if there is a sufficient increase in the resonance, the time course of the excitation has no significant influence on the mode of oscillation. B. generate a very approximate sinusoidal oscillation with pulsed excitation. The amplitude of such vibrating tables can easily be adjusted as required. This can e.g. B. by changing the excitation frequency in the rising or falling area of the resonance curve or by changing the excitation power if the system is to work on or near the resonance peak.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schwingsystem mit stufenloser Frequenzregelung durch Ändern derThe object of the invention is to provide a vibration system with stepless frequency control by changing the

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federnden Länge eines Federelements zu schaffen, das jedoch die Nachteile bekannter Systeme vermeidet. Insbesondere soll die bei einem Teil der bekannten Schwingsysteme an den Einspannstellen auftretende, das Schwingverhalten ungünstig beeinflussende Reibung und die bei dem anderen Teil der bekannten Systeme an den Einspannstellen auftretenden, eine Bruchgefahr begünstigenden Kerbspannungen vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch das-to create resilient length of a spring element, which, however, avoids the disadvantages of known systems. In particular, the in some of the known vibration systems occurring at the clamping points, the vibration behavior unfavorably influencing friction and that in the other part of the known Systems at the clamping points, avoiding the risk of breakage promoting notch stresses will. This task is

erreger, Federkrafterreger oder pneumatischer Erreger, verwendet werden. Ebenso kann das System in waagerechter oder anderer als lotrechter Richtung schwingen.exciter, spring force exciter or pneumatic exciter. The system can also be used in swing horizontally or in a direction other than vertical.

Zur Lösung der Aufgabe, die Eigenfrequenz des Schwingsystems möglichst kontinuierlich zu verändern, wird bei der in Abb. 1 gezeigten Ausführungsform im Raum 11 zwischen dem Bodenteil 9 und dem membranartigen Körper 1 eine kontinuierliche Druckmechanische Schwingsystem gemäß der Erfindung io änderung erzeugt, z. B. durch Anschluß dieses dadurch gelöst, daß die federnde Länge des Feder- Raumes durch das Rohr 10 über ein Drucksteuerelements und damit die Federkonstante in Abhängig- ventil 10 a an eine nicht dargestellte Druckluftquelle, keit von der auf das Federelement wirkenden Ver- Bei jeder Druckänderung nimmt die Membran 1 eine stellkraft durch Anlegen des Federelements an eine neue Nullage ein. Steigender Druck treibt die Memfeste Kurvenfläche des Grundplattenoberteils ver- 15 bran nach oben, wobei sie sich an die Innenseite 8 b To solve the problem of changing the natural frequency of the oscillation system as continuously as possible, in the embodiment shown in Fig. B. by connecting this is achieved in that the resilient length of the spring space through the pipe 10 via a pressure control element and thus the spring constant in dependent valve 10a to a compressed air source, not shown, speed of the pressure acting on the spring element If the pressure changes, the membrane 1 assumes an actuating force by applying the spring element to a new zero position. Increasing pressure drives the meme-solid curve surface of the upper part of the base plate burned upwards, whereby it is attached to the inside 8b

des Oberteils 8, die besonders geformt ist, mehr oder weniger anlegt. Je höher der Druck, um so kleiner ist der noch federnde Membrandurchmesser, was eine entsprechende Veränderung der Membranfederkon-20 stante und der Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems bedeutet. Bei Druckminderung tritt eine Vergrößerung des Membrandurchmessers ein, d.h., das Federelement erhält eine kleinere Federkonstante. Durch die Druckluftregelung läßt sich also auf einKraft zur Anpassung des Federelements an die 25 fache Weise eine Änderung der Eigenfrequenz er-Kurvenfläche wird vorteilhaft von einem Federele- reichen.of the upper part 8, which is specially shaped, more or less applies. The higher the pressure, the smaller it is the still resilient diaphragm diameter, which means a corresponding change in the diaphragm spring cone-20 constant and the natural frequency of the oscillatable system. When the pressure is reduced, there is an increase of the diaphragm diameter, i.e. the spring element has a smaller spring constant. By regulating the compressed air, the natural frequency er curve surface can be changed in a single force for adapting the spring element to the 25-fold manner is advantageous from a Federele- rich.

ment mit linearer und progressiver Konstante über- Um einen größeren Frequenzbereich zu erreichen,ment with linear and progressive constant over- To achieve a larger frequency range,

tragen. ist es vorteilhaft, das federnde Glied so auszuführen,wear. it is advantageous to design the resilient member in such a way that

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Mitte hin ein größeres Trägheitsmoment vordaß der federnde Körper, z. B. eine Membran, gegen 30 handen ist. Gemäß dem Beispiel der Abb. 1 ist die den atmosphärischen oder einen im wesentlichen kon- Membran 1 in der Mitte dicker als am Einspannrad, stanten Druck verspannt wird, indem durch Zu- oder
Abfuhr von Druckmitteln die federnde Länge durch
Anliegen an die Kurvenfläche verändert wird.A further development of the invention is that towards the center a larger moment of inertia voraß the resilient body, for. B. a membrane against 30 is available. According to the example of Fig. 1, the atmospheric or a substantially con-membrane 1 is thicker in the middle than on the clamping wheel, constant pressure is tightened by closing or
Removal of pressure medium through the resilient length
Concern on the curve surface is changed.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von 35 Ausführungsbeispielen veranschaulicht.The invention is illustrated in the drawing on the basis of 35 exemplary embodiments.

ändert wird. Durch das erfindungsgemäße Anpressen des Federelements an die Kurvenfläche werden die Randbedingungen der Federeinspannung erfüllt, ohne daß die bei den bekannten Schwingsystemen vorhandenen Nachteile auftreten.will change. By pressing the spring element against the curved surface according to the invention, the The boundary conditions of the spring restraint are met without the existing ones in the known oscillating systems Disadvantages occur.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die geformte Fläche derart ausgebildet, daß mit wachsender Verstellkraft das zum Anliegen gebrachte Federelement in seiner federnden Länge verkürzt wird. DieAccording to a further development of the invention, the shaped surface is designed such that with increasing Adjusting force the spring element brought to bear is shortened in its resilient length. the

Abb. 1 veranschaulicht in schematischem Aufriß, größtenteils geschnitten, die wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Schwingsystems, und zwar in Gestalt eines Rütteltisches.Fig. 1 illustrates in schematic elevation, largely in section, the essential parts of a Oscillating system according to the invention, namely in the form of a vibrating table.

Der Tisch besteht aus einer zweiteiligen Grundplatte 8, 9, die mittels beispielsweise vier Federn 13 auf einem Fundament ruht. Zwischen dem Grundplattenober- und -unterteil befindet sich ein Hohl-The table consists of a two-part base plate 8, 9, which rests on a foundation by means of, for example, four springs 13. Between the top of the baseplate and lower part there is a hollow

Dadurch gewinnt neben der Durchmesseränderung auch die Änderung des mittleren Trägheitsmomentes einen Einfluß auf die Federkonstante.As a result, in addition to the change in diameter, the change in the mean moment of inertia also gains an influence on the spring constant.

Die Abb. 2 bis 5 zeigen schematisch weitere Beispiele, wie elastischen Organen zum Zwecke der Ausführung des Erfindungsgedankens eine kontinuierlich veränderbare Federkonstante gegeben werden kann. Gemäß Abb. 2 wird der Körper 33 von einer etwa 40 waagerecht angeordneten Blattfeder 31 gehalten, die durch die Feder 35 an die nach besonderer Kurve geformte Kante 38 b gepreßt werden kann, ähnlich wie der membranartige Körper 1 der Abb. 1 an die gekrümmte Fläche 8 b des Grundplattenoberteils 8 nachFIGS. 2 to 5 schematically show further examples of how elastic organs can be given a continuously variable spring constant for the purpose of carrying out the concept of the invention. According to Fig. 2, the body 33 is held by an approximately 40 horizontally disposed leaf spring 31, which can be pressed b by the spring 35 to the molded by special cam edge 38, similar to the membrane-like body 1 of Fig. 1 to the curved surface 8 b of the base plate upper part 8 according to

raum, in dem ein membranartiges, zwischen Ober- 45 oben. Wird das Widerlager 39 verstellt, so werden die und Unterteil fest eingespanntes Federelement 1 eine Federn 31 und 35 gegeneinander verspannt. Dabei Kammer 11 dicht gegen den- restlichen, zur Atmo- legt sich die Feder 31 an die Kurve 38b an und erhält Sphäre offenen Hohlraum abtrennt. Auf dem Feder- eine größere Federkonstante.space in which a membrane-like, between upper 45 above. If the abutment 39 is adjusted, the spring element 1, which is firmly clamped in and the lower part, a springs 31 and 35 are braced against one another. In this case chamber 11 against nevertheless remaining, to the atmos- the spring sets 31 to the curve 38 b and receives sphere separates open cavity sealed. On the spring - a larger spring constant.

element 1 steht, fest geführt, der stempelartige Gemäß Abb. 3 ist das veränderlich elastischeelement 1 stands, firmly guided, the stamp-like according to Fig. 3 is the variable elastic

Träger 2 der beweglichen Rütteltischplatte 3. Auf 5° Medium im Raum 11 der Abb. 1 ersetzt durch den dem Grundplattenoberteil 8 befindet sich ein elektro- Federkörper 45 mit dem verstellbaren Widerlager 49. dynamischer Erreger 6, entweder ein Elektromagnet Der am Rand eingespannte Federkörper 40 trägt auf oder ein Permanentmagnet, in dessen Magnetspalt die dem Stempel 42 den zu rüttelnden Körper 44 oder die an der Rütteltischplatte 3 angeordnete Schwingspule 7 Rütteltischplatte 43. Je nach Einstellung des Widerhineinragt. Mit Hilfe einer am Magnetkörper befestig- 55 lagers 49 wird der Federkörper 40 an die gekrümmte ten elastischen Scheibe 5 ist der Stempel 2 auch an Fläche 48 b gepreßt und dadurch die Konstante des seiner Verbindungsstelle mit der Platte 3 in axialer Federkörpers 41 dem jeweiligen Bedarf angepaßt. Richtung sicher geführt. Mit 4 ist der Prüfkörper auf Gemäß Abb. 4 tritt an Stelle des verstellbarenCarrier 2 of the movable vibrating table plate 3. On 5 ° medium in space 11 of Fig. 1 replaced by the base plate upper part 8 there is an electro-spring body 45 with the adjustable abutment 49.Dynamic exciter 6, either an electromagnet The spring body 40 clamped at the edge carries on or a permanent magnet, in whose magnetic gap the body 44 to be vibrated to the punch 42 or the voice coil 7 vibrating table plate 43 arranged on the vibrating table top 3 protrudes depending on the setting of the back. Using a befestig- on the magnetic body 55 bearing 49 is of the spring body 40 to the curved th elastic disk 5 of the stamp 2 is also pressed b of surface 48 and thereby the constant of the adjusted location of its connection to the plate 3 in the axial spring body 41 to the respective requirements . Direction safely guided. With 4 the test specimen is shown in Fig. 4 instead of the adjustable one

dem Rütteltisch bezeichnet. Widerlagers 49 der Abb. 3 ein Medium P, ähnlich wiethe vibrating table. Abutment 49 of Fig. 3 a medium P, similar to

Das Resonanzsystem ist vom membranartigen 60 in Abb. 1, dessen Druck beliebig geändert werden Federelement 1 und von der Masse, die sich haupt- kann, um die Feder 41 und das Medium P bedarfssächlich aus dem Stempel 2, der Schwingtischplatte 3 gemäß gegeneinander zu verspannen, und dem Prüfkörper 4 zusammensetzt, gebildet. Abb. 5 zeigt ein schematisches Beispiel für eineThe resonance system is from the membrane-like 60 in Fig. 1, the pressure of which can be changed at will, spring element 1 and from the mass, which can mainly be used to brace the spring 41 and the medium P from the punch 2, the vibrating table top 3 against each other , and the test body 4 composed, formed. Fig. 5 shows a schematic example of a

Dieses System schwingt in lotrechter Richtung. Es dynamische Werkstoffprüfmaschine. Es ist zum wird vom Erreger 6 mit der System-Eigenfrequenz 65 größten Teil mit dem Beispiel nach Abb. 4 identisch, oder in der Nähe dieser Eigenfrequenzen erregt. An Über dem Schwingtisch 43 ist der Prüfkörper 81This system oscillates in a vertical direction. It dynamic materials testing machine. It is for of the exciter 6 with the system natural frequency 65 is largely identical to the example according to Fig. 4, or excited near these natural frequencies. The test body 81 is located above the vibrating table 43

Stelle des elektrodynamischen Erregers könnte auch angeordnet. Auf diesem ruht die Masse 82. Um das ein beliebiger anderer Erreger, z.B. ein Fliehkraft- System in Schwingung zu versetzen, müssen die zurPlace of the electrodynamic exciter could also be arranged. The mass 82 rests on this to set any other exciter, e.g. a centrifugal system in vibration, must be used to

Beschleunigung der Masse 82 notwendigen Kräfte durch den Probestab 81 übertragen werden und dienen somit als Prüfkräfte.Acceleration of the mass 82 necessary forces are transmitted through the test rod 81 and thus serve as test forces.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Mechanical vibration system with a continuously variable frequency and amplitude, in which the vibrating masses are attached swingably on a membrane-like, between Grundplattenober- and base firmly clamped spring element, whose spring constant can be changed by means of an adjusting force, in particular for vibrating tables or dynamic material testing machines, characterized characterized in that the resilient length of the spring element (1, 31, 40, 41) and thus the spring constant as a function of the adjusting force acting on the spring element by the spring element resting on a fixed curved surface (8 b, 38 b, 48 b) of the base plate upper part (8) is changed.

2. Mechanical oscillating system according to claim 1, characterized in that with increasing adjusting force the spring element (1, 31, 40, 41) on such a shaped surface (8 b, 38 b, 48 b) are brought to bear that the resilient length is shortened.

3. Mechanical oscillating system according to claim 1, characterized in that the force for pressing the spring element (1, 31, 40, 41) against the curved surface (8 b, 38 b, 48 b) from a spring element (11, 35, 45 ) is transmitted with a linear spring constant.

4. Mechanical oscillating system according to claim 1, characterized in that the force for pressing the spring element (1, 31, 40, 41) against the curved surface (8 b, 38 b, 48 b) from a spring element (11, 35, 45 ) is transmitted with a progressive spring constant.

5. Mechanical oscillating system according to claim 1, characterized in that od by supply or discharge of compressed air. The like. The resilient length of the resilient body by pressing against the cam surface (8 b, 48 b) is changed.

6. Mechanical vibration system according to claim 1, characterized in that the clamped membrane-like spring element (1) has a different cross-sectional thickness, which is lower at the clamping edge than in the middle of the body.

7. Mechanical oscillating system according to claim 1, characterized in that a leaf spring (31) clamped at one end is pressed by a spring (35) against the edge (38 b) shaped according to a particular curve.

8. Mechanical oscillating system according to claim 1, characterized in that a resilient membrane (41) clamped at the edge is pressed by a spring (45) against a solid body surface (48 b) which determines the resilient surface of the membrane.

Considered publications:
German patent specifications No. 422 747, 446 082,
478, 884 120.

For this purpose, 1 sheet of drawings