Prüfstand mit piezoelektrischen Schwingungserzeugern zur Ermittlung der dynamischen Steifigkeit von Elastomerbauteilen

Zusammenfassung

Zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens zur Charakterisierung von Elastomerbauteilen haben die Partner m + p international, ContiTech und das Institut für Dynamik und Schwingungen in einem gemeinsamen Projekt, gefördert in der ZIM Initiative des BMWi, einen Prüfstand für den Frequenzbereich 500 Hz bis 2000 Hz entwickelt (hier als Hochfrequenzprüfstand bezeichnet [1]). In diesem Beitrag werden zunächst die wesentlichen Anforderungen an den Prüfstand und speziell die Schwingungserzeugung im Hinblick auf die Messaufgabe herausgearbeitet. Bedingt durch die Kombination aus großen benötigten Kräften und einer geforderten Kompaktheit werden verschiedene Aktorprinzipien verglichen und ein piezoelektrisches Aktorprinzip ausgewählt. Ausgehend hiervon werden zwei unterschiedliche Aktorkonzepte entworfen und diskutiert. Eine Besonderheit dabei ist das innovative Vorspannkonzept, welches zur Realisierung eines der Konzepte verwendet wird. Hierbei werden die piezoelektrischen Wandler mit dünnem Stahldraht umwickelt, wodurch eine geringe Steifigkeit und Masse bei einem zugleich kostengünstigen Prozess erreicht wird. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrages liegt auf der Leistungselektronik und Ansteuerung zum Betrieb der piezoelektrischen Wandler. Um das für die Prüfaufgabe nötige Verhalten zu gewährleisten, müssen diese beiden Komponenten hohen Anforderungen entsprechen. Abschließend werden der gesamte Aufbau des Prüfstands beschrieben sowie die Ergebnisse beispielhafter Messungen präsentiert.

Abstract

To determine the dynamic behavior of elastomer components a corresponding test bench for the frequency range 500 Hz to 2000 Hz was developed [1]. This was carried out in a joint project, funded in the ZIM initiative of the BMWi, by the partners m + p international, ContiTech, and the Institute of Dynamics and Vibrations Research. In this paper the essential requirements for the test bench and especially the vibration generators are worked out with regard to the measurement task. Then various actuation principles are discussed. Due to the combination of large forces needed and required compactness a piezoelectric actuator principle was selected. Accordingly, two different actuator concepts were designed and will be presented in the contribution at hand. A special feature here is the innovative preload concept, which is used for the realization of one presented concept. Here, the piezoelectric elements are wrapped with thin steel wire, causing a low stiffness and mass. This process in addition is characterized by good reproducibility and cost-effectiveness. Another focus of this paper is on the power electronics and the control. In order to ensure the necessary system behavior for the measurement task, these two components must meet high demands. Finally, the entire structure of the test bench as well as the results of exemplary measurements are described and presented.