Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Neue Messeinrichtung für periodische Kräfte

03.12.2004

In zahlreichen Anwendungen in der Industrie und Forschung werden dynamische Kräfte im kN-Bereich mit statisch kalibrierten Kraftmessgeräten gemessen. Vor diesem Hintergrund wurde eine neue Messeinrichtung für periodische Kräfte bis 10 kN aufgebaut. Die Anlage besteht aus einem Schwingerregersystem mit einem maximalen Sinuskraftvektor von 17,8 kN und kann mit einer Luftlagereinheit zur Führung der eingesetzten Prüfmassen kombiniert  werden. Die Kraftaufnehmer werden dazu auf dem Schwingerreger montiert und mit Zusatzmassen zu periodischen Schwingungen angeregt.

Die dynamische Empfindlichkeit eines Kraftmessgerätes wird definiert als das Verhältnis aus dem Ausgangssignal des Kraftmessgerätes Uv bezogen auf die einwirkende dynamische Kraft F :


Ein großes Problem besteht darin, dass insbesondere bei größeren mechanischen Strukturen und bei höheren Frequenzen Relativbewegung der wirksamen Massen auftreten, die bei der Ermittlung der wirksamen Kraft zu berücksichtigen sind. Die auf den Kraftaufnehmer wirkende dynamische Kraft ist dazu aus der Beschleunigungsverteilung  unter Berücksichtigung der Massenverteilung mit der Dichte r zu ermitteln:


Die Beschleunigungen werden entweder mit interferometrisch kalibrierten Beschleunigungsaufnehmern oder direkt mit Laservibrometern gemessen. Bei der direkten laserinterferometrischen Messung wird das Laservibrometer zum einen über ein getrenntes Fundament entkoppelt und zum anderen kann mittels einer aktiven Schwingungsisolierung der Einfluss von Vibrationen weiter reduziert werden.

Die maximal möglichen Kräfte ergeben sich aus dem verwendeten mechanischen Aufbau und den Spezifikationen des Schwingerregersystems. Im Rahmen der Erprobung der Anlage wurde nachgewiesen, dass mit dieser Einrichtung Kraftaufnehmer mit Sinuskraftamplituden bis zu 10 kN untersucht werden können. Dazu werden Püfmassen von 25 kg mit Beschleunigungsamplituden von 400 m/s2 zu periodischen Schwingungen angeregt. Erste Untersuchungen zeigten, dass bei größeren Kräften die  Krafteinleitung die Messergebnisse zunehmend beeinflussen kann. Die Krafteinleitungseffekte und Nichtlinearitäten bei größeren Kräften werden derzeit weiter untersucht. Für die Messung der Beschleunigung an verschiedenen Positionen der Prüfmasse werden Laservibrometer eingesetzt. Hierfür kommen in Anlehnung an die Normale für die Messgröße „Beschleunigung“ präzise interferometrische Mess- und Auswerteverfahren zum Einsatz. Für ausführlichere Informationen sei auf die nachfolgenden Veröffentlichungen verwiesen.

Bild1: Aufbau der Messeinrichtung für periodische Kräfte

Literatur:

Kumme, R.: A new calibration facility for dynamic forces up to 10 kN. In: Proceedings of the XVII IMEKO World Congress, 22.-27. Juni, 2003, Dubrovnik (Kroatien).

Zhang, Li; Kumme, R.: Investigation of interferometric methods for dynamic force measurement. In: Proceedings of the XVII IMEKO World Congress, 22.-27. Juni, 2003, Dubrovnik (Kroatien).

Ansprechpartner:

R. Kumme, FB 1.2, AG 1.23, E-mail: rolf.kumme@ptb.de