Grundlagen der Schwingungsprüfung / Schwingprüftechnik

Die Arbeitsweise eines Schwingerregers entspricht der eines Lautsprechers. Die Schwingbewegung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Strom durch die Tauchspule und einem magnetischen Feld. Die Kraft zur Beschleunigung des beweglichen Teils, das aus einem Rippenkörper und der umwickelten Tauchspule besteht, ist dem Spulenstrom, der magnetischen Flussdichte und der Länge des Leiters im magnetischen Feld proportional. Anhand der elektrischen Stromstärke lässt sich also der Schwingungspegel des Erregers steuern.

Diagramm 1 zeigt das Schnittbild eines Schwingerregers. Bei kleinen Schwingerregern wird das Magnetfeld mit Hilfe von Permanentmagneten, bei großen, fundamentmontierten Erregern durch Elektromagnete erzeugt. Die maximal erreichbare Beschleunigung ist von der Stromstärke und der zu bewegenden Gesamtmasse abhängig. Bei tiefen Frequenzen werden jedoch die Grenzen der Schwinggeschwindigkeit und der Auslenkung (Hub) eher erreicht als die der Beschleunigung.

Im Diagramm 2 ist die Beschleunigung über der Frequenz in doppelt-logarithmischem Maßstab aufgetragen. Die Auslenkungsgrenze spiegelt sich als Gerade mit einem Anstieg von 12dB/Oktave wieder. Eine Begrenzung der Schwinggeschwindigkeit tritt besonders bei größeren Schwingerregern auf. Sie wird von der Erwärmung der Federn und der maximalen Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers bestimmt. Diese Grenze der Schwinggeschwindigkeit zeigt sich als Gerade mit einem Anstieg von 6 dB/Oktave. Die obere Grenzfrequenz wird durch die Eigenresonanz des beweglichen Teils bestimmt.

Bei der Schwingprüfung ist eine definierte Schwingungsamplitude der Schwingarmatur erforderlich. Ihr Frequenzgang ist aber nicht eben, sondern weist Resonanzüberhöhungen auf. Weitere Resonanzen ergeben sich durch das Testobjekt. Deshalb muss die Verstärkung mit der durchfahrenen Frequenz verändert werden können. Dazu wird der Schwingungs-Istwert der Schwingarmatur mit Prüfling mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Die Schwingtischregelung besteht im Wesentlichen aus Frequenzgenerator, Schwingungsmesser und Regelverstärker. (Diagramm 3)

Bei eingeprägtem Antriebsstrom lässt sich die Frequenzgangkurve eines Schwingerregers in drei Abschnitte einteilen. Die ersten beiden geben das Feder-Masse-System des beweglichen Teils und seiner Aufhängung mit einer Eigenfrequenz von 20 Hz wieder. Im dritten Abschnitt treten axiale Resonanzen im beweglichen Teil auf, wodurch die obere Grenzfrequenz eines Schwingerregers festgelegt ist. Diese liegt für große Schwingerreger oberhalb von 3kHz.

Der Frequenzgang bei eingeprägter Antriebsspannung lässt sich ebenfalls in drei Abschnitte einteilen. Die untere Eigenfrequenz erscheint hier jedoch stark gedämpft, weshalb sich die Schwingung leichter regeln lässt. Die eingeprägte Antriebsspannung wird von Leistungsverstärkern mit niedriger Ausgangsimpedanz erzeugt und für die meisten Schwingprüfungen eingesetzt. Im mittleren Bereich ist teilweise Stromeinprägung vorteilhafter, vornehmlich, wenn der Erreger zur Krafterzeugung dient oder ohne Rückkopplung betrieben wird. Das verlangt im Gegensatz zur Spannungseinprägung eine hohe Ausgangsimpedanz der Verstärker, die deshalb oft umschaltbare Ausgangsimpedanzen haben (Diagramm 4).