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Einrichtung zum Prüfen von Werkstoffen oder Bauteilen.
Es ist bekannt, Werkstoffe oder Bauteile dadurch zu prüfen, dass sie als Teil eines schwingungfähigen Gebildes in Schwingungen versetzt werden, die in oder in der Nähe der Eigenschwingungszahl des genannten Gebildes liegen. Hiebei ist auch schon von einer Erregung durch umlaufende unausgeglichene Massen Gebrauch gemacht worden. Wirkt hiebei die Erregung unmittelbar auf das zu untersuchende Gebilde, dann hängt die Lage der Eigenschwingungszahl im wesentlichen von der Federung desselben ab. Sie liegt infolgedessen von vornherein innerhalb gewisser Grenzen fest, die in den meisten Fällen für die Wuchtmassenerregung ungünstig liegen. Ausserdem muss bei dem jeweiligen Auswechseln eines Prüfkörpers die Erregerzahl umgestellt werden, falls dessen Federung von der des vorhergehenden Prüfkörpers abweicht.
Dieser vielfache Wechsel der Erregerschwingungs-oder - drehzahl ist selbstverständlich unerwünscht.
Es gibt auch Prüfmaschinen mit einer zusätzlichen Federung, die die Federung des Prüfkörpers um ein Mehrfaches übersteigt, so dass für die Lage der Eigenschwingungszahl die Federung dieser stets in der Maschine bleibenden Zusatzfeder massgebend ist. Die Feder ist dabei so angeordnet, dass sie zu der Federung des Prüfkörpers hinzutritt, indem die Erregung an beiden gleichmässig angreift.
Daraus ergibt sich eine sehr hohe Gesamtfederung und diese bedingt wieder eine ausserordentlich hohe Eigenschwingungszahl. Es ist daher bei den Maschinen dieser Art nicht möglich, diese durch Wuchtmassen anzutreiben, sie werden vielmehr elektrisch bei ausserordentlich hohen Frequenzen erregt. Die hiebei hervorgerufenen Kräfte sind verhältnismässig gering und sie lassen sich auch mit gewöhnlichen technischen Mitteln nicht steigern.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung beseitigt die genannten Nachteile, indem der Prüfkörper nicht unmittelbar durch die in Resonanz schwingenden Massen beansprucht wird, sondern unter Zwischenschaltung einer Federung. Diese Federung ist in weiten Grenzen beliebig wählbar, und sie ist in Verbindung mit der sie bewegenden Masse für die Lage der Eigenschwingungszahl massgebend, da bei dieser Anordnung die zusätzliche Federung und der Prüfkörper mechanisch hintereinandergeschaltet sind. Auch bei Auswechseln des Prüfkörpers bleibt die einmal bestimmte Lage der Eigenschwingungszahl, von ganz geringen, praktisch nicht ins Gewicht fallenden Schwankungen abgesehen, die gleiche, wobei es durch die Wahl der Zusatzfederung möglich ist, die Eigenschwingungszahl so zu legen, dass sie sowohl vom Standpunkt der Erregung aus als auch für die Prüfung vorteilhaft ist.
Die Federung kann z. B. so zwischengeschaltet werden, dass der mit umlaufenden unausgeglichenen Schwungmassen versehene Erreger an dem freien Ende einer einerseits eingespannten Blattfeder befestigt und der Prüfkörper an irgendeiner Stelle der Blattfeder eingespannt wird. Wenn diese Einspannung in der Nähe der Einspannung der Feder liegt, so wirkt ausser der Resonanzübersetzung noch eine weitere Übersetzung, die sich aus den verschiedenen Hebelarmen der Erregung und des Prüfkörpers bezüglich der Einspannung ergibt. Es lassen sich dabei Biege-und Zug-oder Druckbeanspruchungen auf den Prüfkörper bringen, je nachdem, wie dieser zu der Durchbiegunglinie der Feder liegt.
Eine andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, dass von jeder festen Einspannung der Zwischenfeder abgesehen und die Zwischenfeder allein am Prüfkörper befestigt und durch mit ihr verbundene Wuchtmassen beansprucht wird. Auch bei dieser Anordnung ist es möglich, Zug-, Druck-oder Biegebeanspruchungen, ausserdem auch Drehbeanspruchungen auf den Prüfkörper wirken zu lassen.
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Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Fig. 1 und 2 zeigen zwei Anordnungen für Zug-, Druck-oder Zug-DruckBeanspruchungen des Prüfkörpers, Fig. 3 eine Anordnung für Biegebeanspruchungen und Fig. 4 eine solche iür Drehbeanspruchungen.
Nach Fig. 1 ist die Feder a in einem festen Bock b eingespannt und mit einer Masse c belastet, in der sich umlaufende unausgeglichene Schwungmassen d drehen. In einem an der Feder befestigten Spannkopf ist der Prüfstab e eingespannt, an dessen Stelle irgendein beliebiger anderer Prüfkörper, beispielsweise Bauteile, treten könnten. Der andere Spannkopf des Prüfkörpers e ist am festen Teil der Maschine angebracht. Die Feder a bildet zusammen mit dem Prüfkörper e und den Massen e und d ein Schwingungsgebilde, dessen Federung im wesentlichen durch die Feder a und nur zu einem ganz verschwindend geringen Teil durch den Prüfkörper e bestimmt wird. Die Masse dieses Schwingunggebildes besteht im. wesentlichen aus den Massen e und d.
Es ist durch die Wahl der Feder a oder der Massen c und d möglich, die Eigenschwingungszahl des Gesamtgebildes so zu legen, wie es für die Prüfung und auch für die Erregung selbst am vorteilhaftesten ist. Läuft die Masse d entsprechend der gewählten Eigenschwingungszahl um, dann wird ein verhältnismässig grosser Ausschlag der Federung a hervorgerufen und auf den Prüfkörper e übertragen. Durch die Resonanzübersetzung ist diese Kraft gegenüber dem gewöhnlichen Wuchtmassenantrieb ausserhalb der Resonanz ganz bedeutend erhöht. Eine weitere Erhöhung der auf den Prüfkörper wirkenden Kraft tritt dadurch ein, dass die Masse d bezüglich der Einspannung an einem wesentlich längeren Hebelarm angreift als der Prüfkörper e.
Es ist demnach ein leichtes, die Beanspruchungen des Prüfkörpers umzustellen, indem entweder die unausgeglichene Masse d vergrössert oder verkleinert und/oder der Prüfkörper e längs der Feder verschoben wird.
Nach Fig. 2 befindet sich ein Spannkopf t des Prüfkörpers g am festen Teil der Maschine, so dass damit der Prüfkörper festgelegt ist, während der zweite Spannkopf 7t eine Feder i trägt, an deren beiden Enden je eine Masse fund l befestigt ist. An Stelle einer Feder i können zwei solche Federn treten, die beide mit ihren Enden in dem Spannkopf h befestigt sind und in gleicher Richtung liegen.
Die Masse & ist wieder mit einer umlaufenden, mit unausgeglichenen Gewichten versehenen Masse m ausgerüstet.
Das Schwingungsgebilde besteht auch hier wieder aus der Feder i und dem Prüfkörper g und den Massen k, l und m. Von der Federung ist für die Lage der Eigenschwingungszahl wieder allein die Feder i massgebend, während die Federung des Prüfkörpers g ohne Bedeutung ist. Wird nach der
Wahl der Feder i und der Massen k, l und rn das ganze Gebilde mit oderin der Nähe der Eigensch wingungs- zahl angetrieben, so schwingt die Masse k auf und ab.
Sind die Federung des andern Armes der Feder i und die Masse I so abgestimmt, dass ihre Eigenschwingungszahl mit derEigenschwingungszahl des rechts vom Prüfkörper befindlichen Schwingungsgebildes übereinstimmt, dann wird durch die Schwingung der
Masse k auch die Masse I zu einer im wesentlichen gleichphasigen Schwingung erregt. Infolge der Resonanz wird hiebei eine verhältnismässig grosse Kraft auf den Spannkopf h und den Prüfkörper ausgeübt.
Wenn keine Vorspannung hiebei vorgesehen ist, so wird der Prüfkörper g wechselnd auf Zug und
Druck beansprucht. Es kann jedoch auch eine Vorspannung vorgesehen werden, die die bei der dynamischen Prüfung bekannten Folgen hervorruft. Die Vorspannung lässt sich z. B. dadurch aufbringen, dass eine Feder n zwischen den Spannkopf A und den festen Teil der Maschine geschaltet wird. Sollte in Ausnahmefällen ein gleichphasiges Schwingen der Massen k und ! nicht zu erreichen sein, so kann auch die Masse I ebenso wie die Masse Je mit einer umlaufenden unausgeglichenen Schwungmasse versehen werden. Es ist dann dafür zu sorgen, dass beide Massen gleichphasig angetrieben werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 werden verhältnismässig starke Gegenkräfte über den Spannkopf f auf den festen Teil der Maschine und damit auf das Fundament übertragen. Diese Kräfte können sich schädlich auswirken. Um dem abzuhelfen, kann die Anlage auf schwache Lenkerfeder gesetzt werden, die eine Übertragung der Kräfte auf das Fundament unmöglich machen. Der Prüfkörper wird in diesem Falle zweckmässig liegend angeordnet und die beiden gleichfalls liegenden Spanneinrichtungen ruhen auf mehreren senkrecht stehenden Federn, wie es im Werkstoffprüfmaschinenbau an sich bekannt ist. Damit sich hiebei die Schwingungskräfte auf den Prüfkörper auswirken können, ist es notwendig, den Spannkopf t mit einer grossen Masse zu verbinden, die selbstverständlich auch federnd zu lagern ist.
Diese grosse Masse wirkt durch ihr Trägheitsmoment den Schwingungen entgegen, so dass sich je nach Grösse dieser Masse die aufgebrachten Schwingungskräfte in praktisch voller Höhe auf den Prüfkörper auswirken. Es ist auch möglich, bei gleichfalls federnder Lagerung der ganzen Maschine unter Verzicht auf die eben erwähnte grosse Masse den Spannkopf t mit einer gleichen Feder und mit gleichen Massen zu verbinden wie den Spannkopf h. Der Prüfkörper wird dann von beiden Seiten belastet. Dann kann man die Belastung dadurch vergrössern oder verkleinern, dass die Phase zwischen den Schwingungserregern an den beiden Enden des Prüfkörpers verstellbar ist.
Arbeiten beide Sehwingungserreger gleichphasig, d. h. schwingen beide zu jeder Zeit in gleicher Richtung und in gleichem Ausmass, dann tritt eine Beanspruchung des Prüfkörpers praktisch überhaupt nicht ein.
Weicht dagegen die Phase der beiden Sehwingungserreger ab, dann muss natürlich eine Kraft durch den Prüfkörper hindurch geleitet werden, die so lange anwächst, bis die beiden Schwingungserreger mit einer Phasenverschiebung von 1800, also entgegengesetzt schwingen. Auch bei den letztbesehriebenen
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Anordnungen kann man Vorspannungen auf den Prüfkörper wirken lassen, z. B. dadurch, dass zwischen die beiden Spannköpfe t und h auf Zug oder Druck beanspruchte Federn geschaltet werden, u. zw. unmittelbar oder mittelbar unter an sich im Werkstoffprüfmaschinenbau bekannter Verwendung eines Rahmens.
Die Biegeschwingungen des einerseits fest eingespannten Prüfkörpers werden bei der Anordnung nach Fig. 3 dadurch hervorgerufen, dass an dem Spannkopf p eine Feder q befestigt ist, die an ihrem äusseren Ende eine Masse r mit darin gelagerten, umlaufenden unausgeglichenen Schwungmassen s trägt. Die Eigenschwingungszahl wird auch hier wieder fast ausschliesslich durch die Feder q und die Massen r und s bestimmt. Wird das ganze Gebilde mit der Eigenschwingungszahl oder in der Nähe derselben angetrieben, dann biegt sich der Prüfkörper o hin und her. Es ist auch hiebei möglich, eine Vorspannung aufzubringen, indem zwischen den Spannkopf p und einen festen Teil der Maschine die Feder t zwischengeschaltet wird.
Wie bei dem Beispiel nach Fig. 2 kann auch hier die Einrichtung, um keine Kräfte auf das Funda- ment zu übertragen, auf Lenkerfedern ruhen und der feste Spannkopf kann hiebei mit einer grossen freien Masse verbunden werden, die den Schwingungen als Widerlager dient. Ebenso kann man auch den Prüfkörper von beiden Seiten her antreiben, indem nicht nur der Spannkopf p, sondern auch der am andern Ende des Prüfkörpers befindliche Spannkopf mit einem Erregergebilde verbunden wird, das aus einer Feder und einer Masse besteht. Diese Masse kann gleichfalls mit umlaufenden unaus- geglichenen Schwungmassen ausgerüstet werden. In vielen Fällen wird das aber nicht nötig sein, vielmehr genügt die Federung und die stillstehende Masse, die durch den jenseitigen Erreger über den
Prüfstab zu Schwingungen angeregt wird und so zur Belastung des Prüfkörpers beiträgt.
Drehschwingungen lassen sich durch eine der der Anordnung nach Fig. 3 ganz ähnliche An- ordnung aufbringen, jedoch wird nach Fig. 4 die Feder u um ihre Längsachse um 900 gegen die Lage nach Fig. 3 geschwenkt, so dass ihre Schwingebene senkrecht zur Prüfkörperachse steht. Die Feder ist auch in diesem Falle am Spannkopf v des Prüfkörpers befestigt und trägt am äusseren Ende eine
Masse x, in der unausgeglichene Massen y drehbar gelagert sind. Bei Umlauf dieser Massen wird der
Prüfkörper w infolge der Schwingungen der Feder u auf Verdrehung beansprucht. Auch hier lassen sich die Erregerkräfte nicht nur von einem Spannkopf her, sondern auch von beiden her einleiten, wenn die gesamte Einrichtung z. B. auf Lenkerfeder gelagert wird.
Das Aufbringen von Vorspannungen ist ebenfalls durch Anbringen von Vorspannfedern möglich.
In vielen Fällen ist es zweckmässig, einen Prüfkörper nicht nur Zug-, Druck-, Biege-oder Dreh- beanspruchungen zu unterwerfen, sondern gleichzeitig mehrere dieser Beanspruchungen wirken zu lassen. Auch das ist mit einer Anordnung gemäss der Erfindung ohne weiteres möglich. So kann man z. B. eine Anordnung bauen, bei der die Feder i und die Feder q gleichzeitig an demselben Spannkopf angreifen, so dass Zug-, Druck-und Biegebeanspruchungen hervorgerufen werden. Das gleiche lässt sich auch dadurch erreichen, dass bei der Einrichtung nach Fig. 2 die Massen k und i ! verschieden gross gewählt werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass auch die Federung dementsprechend zu ändern ist, damit beide die gleiche Eigenschwingungszahl beibehalten.
Es ist ausserdem möglich, über einen
Spannkopf die eine Belastungsart und über den andern die andere Belastungsart auf den Prüfkörper einwirken zu lassen.
In allen Fällen ist für den Angriff der Erregung die Lage der in Resonanz schwingenden Masse massgebend, auch wenn diese Masse selbst nicht unmittelbar die umlaufenden unausgeglichenen Schwungmassen trägt. So ist z. B. die Masse l in Fig. 2 ebenfalls als erregende anzusehen. Es ist deshalb auch möglich, die unausgeglichenen umlaufenden Massen von den für die Schwingung massgebenden Massen (toc, , r oder x) zu trennen und die umlaufenden Massen unter Zwischenschaltung irgendeiner Kraftübertragungsvorrichtung, z. B. durch Federn, auf diese Massen wirken zu lassen, die dann ihrerseits wieder unter Zwischenschaltung der in der Zeichnung dargestellten Federn den Prüfkörper belasten. In weiterer Ausbildung dieser Übertragungsmöglichkeit lässt sich z.
B. bei der Anordnung nach Fig. 2 der Sehwungmassenantrieb unmittelbar mit dem Spannkopf h verbinden.
Arbeitet dieser Antrieb mit einer Drehzahl, die der Eigenschwingungszahl des aus der Feder i und den Massen fund l bestehenden Schwingungsgebildes entspricht, dann sind die Massen k und l - auch wenn der Antrieb nicht unmittelbar an ihnen angreift-als Erreger für den Prüfkörper zu betrachten.
Beide Massen schaukeln sich infolge der Resonanz auf und wirken dadurch auf den Prüfkörper ein ; die Belastungsverhältnisse sind hiebei etwa die gleichen wie in dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel. Würden dagegen bei Anordnung der Wuchtmassenerregung am Spannkopf h die Massen k und I sowie die zugehörige Feder i fortfallen, dann wären die Belastungsverhältnisse vollkommen andere.
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