具有负荷补偿的激振器的制作方法

激振器，往往也被称为摇动器，被用于对振动试验装置中的试验件的动力特性进行研究。激振器主要用于材料研究的目的，其中，例如构件或整个结构组件形成该试验件。为此，以限定的测试信号对试验件进行激励并且同时通过合适的测量机构确定试验件的定位和/或运动状态。除了应变片以外，这些测量机构还具有振动检测器或另外的用于确定定位或用于确定运动状态的传感器。由这些获知的测量值还可以推断出机械性能，例如疲劳性能。

另一种的已知激振器是其本身的测量机构，例如振动检测器，其适合于研究振动过程，尤其是用于校正，如例如在ISO 16063中规定的那样。已知的振动检测器在测量范围、结构大小等方面是非常具有多样性的。除了用于加速度高达百万g(1g相应于9.81m/s²的平均重力加速度)的非常小且轻的振动检测器以外，还已知有非常大且重的振动检测器，例如其使用在测震仪中。

测震仪被用于探测地震的地面震动和其他的地震波。为此，测震仪具有以振动方式支承在弹簧上的重物，对其机械振动进行测量。为了确定出现的地面震动的方向，已知测震仪具有直至三个这样的能振动的弹簧-重物-系统。例如其在地震过程中出现的机械振动通常非常小，能侦测到的最小加速度在正常的平均重力加速度g的数百万兆分之一的范围中。在此，频率范围在约50Hz至每小时仅有一个振动之间。因此，为此所需的地震质量(seimische Masse)是10kg或更大，也就是非常大。

由于出现的机械振动非常小，因此要校正这么大的振动检测器，即，带有很大的地震质量的振动检测器，对于振动试验装置(尤其是激振器)的机械边界条件有非常高的要求。利用激振器应能产生高品质且少干扰信号的的正弦形的激励信号，该激励信号的出色之处在于尽可能精确保持的振幅、很小(＜5％)的非线性失真因数(代表激励信号的不期望的畸变的程度)，以及连续的信号变化曲线。

为了对具有地平的，即水平的交替形式的振动激励的振动检测器进行校正，已知了使用空气轴承以减低摩擦力。与传动的轴承支承，例如滑动轴承、滚动轴承或弹簧轴承，使用空气轴承可以实现特别高的精确度和移动动力学。空气轴承的基本构想是使受支承物在空气膜上振动，其中，除了空气膜内部的和空气膜的分界层中的非常小的流体摩擦以外，受支承物直至分界面以无摩擦的方式移动。相应地，空气轴承可以实现物体的低摩擦的运动。原则上，线性空气轴承和旋转空气轴承都是已知的，也可以将空气轴承区分为静力空气轴承和动力空气轴承。空气轴承的几何形状非常多样。例如圆柱形、矩形、平面形或其他特殊的形状。

在对具有竖直的、即垂直的交替形式的振动激励的振动检测器进行校正时，用于振动激励所需的力与地球重力场中的振动检测器的静态重力相叠加。为了在两个激励方向(其中一个与振动检测器的重力方向同向，另一个与之反向)上都有相同大小的力可供激振器使用，已知的是补偿重力。为此已知有不同的方法，其中，所有方法的共同之处在于，施加另外的与要激励的试验件(例如振动检测器)的重力相反指向的静力。用于这种负荷补偿所需的力可以是电动力、液压力、气动力或可以通过弹簧力产生。

Spektra Schwingungstechnik und Akutik GmbH公司的CS18 VLF校正设备是用于对沿水平和竖直方向具有激振器的加速度检测器进行校正。激振器具有构造为线性驱动器的促动器，其被用于沿激励方向对重物进行动态激励。矫正设备的能移动的部件，也就是能线性运动的滑架(也被称为衔铁)，在此借助线性式构造的空气轴承与矫正设备的固定的部件(基座)。为了沿竖直的激励方向校正振动检测器，矫正设备还具有电零层调节器(elektrische Nulllagenregelung)，其补偿由滑架和振动检测器产生的重力。提及的线性驱动器的驱动能量的一部分被用于此，从而实际可供振动激励使用的力并不能全部被用于抵抗重力。

此外，已知的负荷补偿是使用机械弹簧力，以便补偿要激励的试验件的重力。在使用钢弹簧的情况下的基本缺点在于，具有给定的强度界限、具有挠性以及可能激励出共振。在使用弹性体弹簧的情况下的缺点是非线性特性，其必须被补偿才能产生几乎无畸变的激励信号。此外，提到的弹簧还导致激励信号中的不连续性，其原因是弹簧的外部和内部均存在摩擦力，例如这些摩擦力会产生附着摩擦效应(粘滑效应)。

此外已知的负荷补偿具有压缩的、形成过压的介质。

一方面，已知使用液压缸进行负荷补偿，例如用于研究整个车辆的振动性能。压缩的介质(在本情况下是液压液体)保留在封闭的系统中，其中，一些部件(在此是液压缸的活塞杆)凸出超过系统界限。相应地必须设置密封件，例如轴密封环。这些密封件一方面具有不利的磨损，而且还由于出现的摩擦而导致要产生的激励信号中的不连续性。

此外还已知的是，使用在橡胶风箱中的压缩空气作为负荷补偿。Tira GmbH公司提供有如下的振动试验装置，即其使用这样的已装填的橡胶风箱用于负荷补偿。在此，橡胶风箱布置在要运动的部件(衔铁)的下方，以便补偿该部件的重力。在橡胶风箱与振动试验装置的邻接的结构部件之间出现摩擦力，该摩擦力还导致在要产生的激励信号中的不连续性。

因此，所有提及的负荷补偿的可能方式的缺点在于，由于出现的摩擦和其他非线性特性产生额外的干扰信号，这会妨碍纯正弦的信号变化曲线的产生，该信号变化曲线是针对校正振动检测器(尤其是大质量，即，10kg或更大的振动检测器)所必需。

因此，本发明的任务在于，给出一种用于对试验件进行动态激励的具有负荷补偿的振动激振器，其中，使在负荷补偿时出现的摩擦和其他非线性特性最小化，用以产生高品质且少干扰信号的正弦形的激励信号，并且其中，不仅振动位移而且用于振动激励所需的力都能够在两个激励方向(与重力反向指向和同向指向)独立地且不受限制地供重力的负荷补偿来使用。

为了解决该任务，在开头提到的类型的具有负荷补偿的激振器中设置的是，线性引导机构具有空气轴承，并且同时负荷补偿机构同时线性引导机构。

通过根据本发明的低摩擦的具有负荷补偿的激振器可以实现的是，产生非常高品质且少干扰信号的正弦形的激励信号，由此，例如在沿竖直方向校正很重的振动检测器时可以实现更高得校正精度。

此外有利的是，促动器的驱动能量不被用于负荷补偿。相反地，促动器的驱动能量可以被用于以基本上对称的方式沿激励方向导入激励力。这特别有利于对物体进行正弦形的激励。通过激励力振幅与振动振幅的相关性，即，针对振动值的相同的振动振幅来说，与重力的方向无关地，都需要相同的激励力振幅，可以产生特别高品质的正弦形的激励信号，这还引起更高的校正精度。

根据本发明的低摩擦的具有负荷补偿的激振器的另外的优点在于，其非常紧凑地构造。这是因为负荷补偿机构包括线性引导机构。换而言之，如果负荷补偿机构通过由多个单一构件构成的组件组成，那么线性引导机构也由相同数量的单一构件构成。换而言之，负荷补偿机构和线性引导机构共同拥有前述的组件的特定的单一构件。

从属权利要求的主题中得出有利的改进方案和设计方案。

根据第一实施方式建议的是，负荷补偿机构具有气动缸，气动缸的活塞杆和/或活塞分别通过空气轴承线性地引导。在此，线性引导机构和负荷补偿机构共同拥有活塞杆和/或活塞作为上述的组件的共同的构件。如果气动缸的壳体与基座连接并且能运动的活塞或活塞杆与能运动的衔铁连接，并且活塞和/活塞杆分别通过空气轴承来引导，那么可以以低摩擦的方式对衔铁的重力并且必要时还包括布置在衔铁上的物体的重力进行负荷补偿。因此，可以使在通过促动器对衔铁进行激励期间非线性的由摩擦引起的效果最小化。

在根据本发明的另一个设计方案中可以设置的是，负荷补偿机构具有n＞1个气动缸，气动缸的活塞杆和/或活塞分别通过空气轴承线性地引导。由于具有n个气动缸，为了补偿特定的重力而这些气动缸可以比在为此设置单个的较大设计的气动缸的情况下更小地设计。通过这样的设计方案，根据本发明的激振器因此特别紧凑地构造。

如果负荷补偿机构具有n＞1个气动缸，则还可以进一步设置的是，n＞1个气动缸彼此分别以相同的中点角α＝360°/n地以圆形方式绕促动器布置。中点角也可以被称为中心角。通过这样的布置，实现了非常对称的重力补偿，以便使例如引入的力矩造成的另外的干扰影响最小化。被证实的是，特别有利地是选择n＝3。因此，中点角分别形成120°。

由本发明的构想也能想到的是，气动缸以不同的图案，例如正方形或矩形地布置，其中，在这样的设计方案中，促动器例如布置在正方形图案或矩形图案的对角线的交点中。此外可以设置的是，气动缸具有圆形的活塞面。在这种情况下，促动器可以与气动缸同心地布置，因为气动缸环绕促动器。沿激励方向，在此促动器和气动缸都可以与衔铁交替作用。

适宜的是，促动器具有至少一个线性驱动器。该线性驱动器要么可以构造为以电动力学作用原理运行的线性马达，要么可以构造为以压电、静电、电磁、磁致伸缩、热电、气动或液压的作用原理运行的线性促动器。这样的优点是，促动器可以低摩擦地构造，从而由此同样可以使非线性特性造成的干扰影响最小化。

在另一设计方案可以设置的是，衔铁经由回位机构与基座连接，其中，回位机构的力作用与负荷补偿机构的力作用反向地指向。

为了防止激振器的故障或过载带来的损害，可以设置衔铁位移限界机构。例如通过机械止挡部形成的衔铁位移限界机构在此限定出衔铁沿激励方向的最大可能的位移。

为了探测到衔铁的“定位”和“运动状态”中的至少一个值，还可以设置一个或多个对衔铁的定位和/或运动状态进行探测的测量机构，也可以设置不同的作用原理的测量机构，并且将这些测量机构配属给激振器。特别有利的是，为此同样设置无接触式测量机构，例如激光测振器，这是因为由此可以排除测量机构对激振器的反作用，由此还使干扰影响最小化。因此，借助激光测振器作为测量机构可以通过对速度信号的相应的微分或积分同时获知加速度、速度和位移。

下面结合在附图中示出的优选实施例进一步阐述和说明了本发明。其中：

图1示出根据本发明的具有负荷补偿的激振器的示意性的未按照比例的侧视图；以及

图2示出根据本发明的具有负荷补偿的激振器的具有三个气动缸的优选实施方式的示意性的未按照比例的俯视图。

图1中的根据本发明的具有负荷补偿的激振器的非常简化的示意性且未按照比例的侧视图用于示出本发明的基本构想。首先要呈现的是根据本发明的激振器的基本构造和各个基本组成部分之间的协同作用。

图1中示出的具有负荷补偿的低摩擦的激振器包括能固定地布置在未示出的结构上的基座1和能沿激励方向4相对于该基座1运动的衔铁2。根据本发明的激振器是非常有利地适合于对试验件进行低摩擦的动态垂直激励。相应地，激励方向4平行于地球重力场。衔铁2还适合于容纳试验件15，以便对其进行研究或校正。根据本发明的激振器并不仅限于校正振动检测器。而是利用激振器也可以执行其它研究，像例如使用寿命测试。

为了对试验件15进行动态激励，基座1借助促动器3与衔铁2有效连接。在优选的实施方式中，为此设置有线性驱动器11。该线性驱动器例如可以实施为具有柱塞式线圈的电动力驱动器。促动器3在此以如下方式构造，使得衔铁2与试验件15一起能沿激励方向4进行与地球重力场同方向和反方向的运动。此外，促动器3适合于激励衔铁2和试验件15产生任意的运动形式，例如和谐的正弦激励、随机的噪声式激励、阶跃的振荡激励。衔铁2沿激励方向4随时间变化的位置被称为激励信号。

为了补偿衔铁2的重力7(如果在衔铁2上布置有试验件15则同样包括补偿试验件15的重力7)，设置有气动式负荷补偿机构6。在优选的实施方式中，负荷补偿机构6构造为气动缸9。气动缸9的壳体牢固地布置在基座1上。由此，减少了要运动的重物和要补偿的重力7。气动缸9的活塞杆92还与衔铁2有效连接，从而气动缸9的活塞杆92的补偿力12能传递到衔铁2上，用以补偿重力7。补偿力12能借助压缩空气10的压力来控制。相应的压缩空气产生机构和控制机构出于简化的原因并没有示出。通过负荷补偿机构6实现的是，用于借助促动器3在激励方向4的方向上与地球重力场同方向或反方向对衔铁2和试验件15进行激励所需的激励力都是一样大的。此外，还可以达到衔铁2沿激励方向4的相同的最大移动量，也就是最大振动位移量。在一种实施方式中，通过在这里未示出的衔铁位移限界机构限定出最大振动位移，由此保护了激振器不至于损坏。

为了平行于激励方向4地引导衔铁2，激振器具有线性引导机构5。

根据本发明设置的是，线性引导机构5为此具有空气轴承8，由此能产生高品质且少干扰信号的正弦形的激励信号。少干扰信号的激励信号的出色之处在于，尽可能精确地保持要产生的振幅、非线性失真因数很小(＜5％)并且连续地产生信号变化曲线。通过使用空气轴承8，首先可以避免前面提到的粘滑效应，由此同样可以更好地保持衔铁2的振幅。

此外设置的是，负荷补偿机构6包括线性引导机构5，由此可以实现负荷补偿的激振器的特别紧凑的结构。因此在优选的实施方式中设置的是，空气轴承8被用于支承气动缸9的活塞杆92。根据另外的实施方式可以设置的是，气动缸9的活塞91同样借助另一空气轴承8支承在气动缸9的缸中。向空气轴承8供应压缩空气10通过未示出的压缩空气产生机构连同相应的控制机构来实现。气动缸9和空气轴承8的压缩空气产生机构在此可以使用同一压缩空气产生机构，其中，通过相应的未示出的阀可以实现向气动缸9和空气轴承8分别供应不同的压力。向空气轴承8供应的压缩空气10的一部分反作用于补偿力12。

在一种实施方式中，为了侦测激励信号，也就是衔铁2的位置和运动状态中的其中一个参数，设置有测量机构13。在特别有利的实施方式中，测量机构13构造为激光测振器14。此外，测量机构13还可以构造为例如加速度检测器、速度检测器(电动力学原理)、位移检测器(感应式、电容式、磁致伸缩式、激光三角测量、干涉式、成像式)或以其他形式构造。此外，测量机构13也可以由多个按不同作用原理运行的测量机构构成。借助激光测振器14可以无接触式且进而以不反馈到激振器的方式侦测到激励信号。为此，测量机构13可以与未示出的评估装置连接。如果试验件通过加速度检测器来形成，其测量信号同样可以在未示出的评估装置中进行处理。

在图1仅示出一个促动器3、一个线性引导机构5和一个负荷补偿机构6，但实施方式也可以设置有多个促动器3、多个线性引导机构5和多个负荷补偿机构6。

图2示出根据本发明的负荷补偿的激振器的优选实施方式的示意性的未按照比例的俯视图，其中，在图2中仍未示出整个激振器，而是仅示出基本组成部分，以便清楚呈现促动器3、线性引导机构5和负荷补偿机构6彼此间的布置。

图2中示出基座1，其中，一个促动器3和分别具有线性引导机构5的三个负荷补偿机构6布置在基座1上。气动缸9分别设置为负荷补偿机构6并且空气轴承8分别设置为线性引导机构5。图2还示出特别有利的是，气动缸9以圆形方式绕促动器3地布置，其中，促动器构造为呈具有活动线圈的电动力驱动器形式的线性驱动器11。中点角α都一样大，即均为120°。气动缸9与促动器3的径向间距以如下方式选择，使得实现了振动激振器的紧凑的结构形式。

如上所述，原则上也可以实现促动器3、线性引导机构5和负荷补偿机构6彼此间的不同于前述的布置。

附图标记列表

1 基座

2 衔铁

3 促动器

4 激励方向

5 线性引导机构

6 气动式负荷补偿机构

7 重力

8 空气轴承

9 气动缸

91 活塞

92 活塞杆

10 压缩空气

11 线性驱动器

12 补偿力

13 测量机构

14 激光测振器

15 试验件

α 中点角