Entwicklung eines kostengünstigen Impulshammers auf Basis von Beschleunigungsmessung

Um die auftretenden Schwingungen einer Struktur effektiv mindern zu können, ist es notwendig, Kenntnisse über systemeigene Parameter wie beispielsweise Resonanzfrequenzen zu erlangen. Eine Methode, die für die Strukturanalyse eingesetzt wird, ist die Impulsanregung. Dabei wird eine Kraft an einem oder mehreren definierten Punkten eingeleitet und die resultierende Beschleunigung an einem anderen Punkt gemessen. Bei Kenntnis der Kraft sowie der Beschleunigung lässt sich die Übertragungsfunktion der Struktur ableiten. Die Messung der Beschleunigung erfolgt durch den Einsatz von Beschleunigungssensoren, während die Einleitung und die Messung der Kraft mit mehreren Methoden erfolgen können. Dieser Beitrag beschränkt sich auf die Betrachtung von Impulshämmern zur Krafteinleitung.

Impulshämmer leiten die Kraft wie herkömmliche Hämmer durch ein simples Anschlagen der Struktur ein. Dabei erzeugen sie einen Impuls, der je nach Dauer der Krafteinwirkung ein entsprechendes Frequenzspektrum anregt. Um sich an die von Struktur zu Struktur unterschiedlichen zu betrachtenden Frequenzspektren und Massen anpassen zu können, verfügen Impulshämmer im Regelfall über austauschbare Spitzen variierender Härte und Zusatzmassen, die am Kopf angebracht werden können. In der Spitze des Hammers befindet sich ein Kraftaufnehmer, der die in die Struktur eingeleitete Kraft in Form einer Spannung ausgibt. Impulshämmer bringen eine Reihe von Vor- und Nachteilen mit sich, über die hier ein kurzer Überblick gegeben wird.

Vorteile:

  • Impulshämmer zeichnen sich durch eine hohe Mobilität aus, da der benötigte Geräteaufwand gering ist und die Durchführung der Messung zügig erfolgt.
  • Die Anregung von hohen Frequenzen ist möglich.
  • Die Vorbereitung der zu analysierenden Struktur durch bspw. Einspannung ist minimal.

Nachteile:

  • Die Reproduzierbarkeit des Impulses ist quantitativ und hinsichtlich der Erregungsstelle nur bedingt möglich.
  • Die Krafteinleitung weicht durch die bogenförmige Hammerbewegung von der vorhergesehenen Kraftrichtung ab. Dies wirkt sich auch auf die einaxial gemessene Kraft aus.
  • Doppelkontakte des Hammers mit der Struktur können durch eine unsaubere Ausführung des Schlages auftreten, was zu unbrauchbaren Messergebnissen führt.

Insbesondere der vergleichsweise geringe Aufwand, der mit dieser Art der Impulsanregung verbunden ist, legt eine Nutzung von Impulshämmern in der DIY- und Maker-Szene nahe. Problematisch ist allerdings der hohe Preis. So liegen die Anschaffungskosten für Impulshämmer im vierstelligen Bereich und stellen für viele Maker daher keine Alternative dar. Ein Grund für die hohen Kosten sind unter anderem die teuren verbauten Kraftaufnehmer.

Aus diesem Umstand heraus ist die Motivation entstanden, eine kostengünstige Alternative zu entwickeln, die günstigere Beschleunigungssensoren im bzw. am Hammer verwendet, um über das 2. Newtonsche Axiom F=m*a die Kraft abzuleiten. Dies bringt technische Probleme mit sich, welche bei Verwendung von Kraftaufnehmern nicht vorliegen. So wird die Beschleunigung des Hammers beim Anschlagen durch die Handführung mit einem stets unterschiedlichen Moment beeinflusst, welches somit auch durch eine entsprechende Kalibrierung nur schwer berücksichtigt werden kann. Auch wirken nach dem Kontakt weiterhin Beschleunigungen auf den Hammer, welche für die Schwingungen der Struktur nicht relevant sind. Diese technischen Probleme gilt es im Verlauf des Projektes entsprechend zu lösen, was unter Umständen zu einem Konzept führen kann, welches konstruktiv von einem klassischen Hammer-Design abweicht, um die krafteinleitende Masse entsprechend von anderen Kräften zu isolieren.

Das alternative Konzept soll dabei folgende Forderungen erfüllen:

  • Zuverlässige Kraftmessung
  • Geringe Kosten
  • Umsetzbarkeit im Maker-Bereich

Dabei wird nicht erwartet, dass die Genauigkeit der professionellen Impulshämmer, welche mit sehr hochwertigen Komponenten sowie jahrzehntelanger Entwicklungs- und Optimierungsarbeit hergestellt werden, erreicht wird. Es soll vielmehr eine Alternative für den Maker-Bereich bereitgestellt werden, die es ermöglicht, in guter Näherung die Schwingungseigenschaften eins Systems zu bestimmen, um darauf aufbauend eine entsprechende Dämpfung bzw. Tilgung auszulegen.

Die Ergebnisse und Entwicklungen des Projektes werden im Rahmen des OpenAdaptronik-Blogs veröffentlicht.


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