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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überlagerung einer konstanten oder veränderlichen Kraft und einer Ultraschallschwingung - im folgenden Beschallungseinrichtung genannt - bei welcher an einem Schallgeber ein Schallübertragungsstück angeschlossen ist, dessen Länge der halben Schallwellenlänge, oder einem Vielfachen derselben entspricht und an dem im Bereich des ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Schallwellenlänge eine
Krafteinleitungsvorrichtung über eine Ankopplung angreift.
Solche Beschallungseinrichtungen, die eine Überlagerung von Ultraschallschwingungen und einer konstanten oder sich ändernden Kraft ohne gegenseitige Beeinflussung zulassen, finden im Bereich der Technik häufig Anwendung. Zum Beispiel ist dies der Fall bei Press- und Sinter- einrichtungen (Verdichtern) oder bei der zerstörenden Materialprüfung (Ermüdungs- und Betriebs- festigkeits-Untersuchungen, Ermüdungsrissausbreitungstests bei konstanter und veränderlicher
Amplitude).
In der AT-PS Nr. 371396 wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Presslingen aus pulver- förmigem Ausgangsmaterial beschrieben, bei der einer Ultraschallschwingung eine konstante
Kraft überlagert wird. Bei dieser Vorrichtung befindet sich zwischen jedem Pressstempel und dem dazugehörigen Ultraschallerzeuger eine Schallübertragungsvorrichtung, die aus einem stabförmi- gen Übertragungsstück besteht, dessen Länge einer halben Wellenlänge des Ultraschalls entspricht und in dessen Mitte sich ein Kragen befindet, auf den eine statische Kraft (Druck) über eine
Krafteinleitungsvorrichtung aufgebracht werden kann.
Vorrichtungen zur Durchführung von ein- und mehrstufigen Ermüdungsversuchen mit konventionellen Belastungseinrichtungen für statische und veränderliche Kräfte, die durch ein Ultraschallresonanzsystem erweitert sind, sind von
E. A. Neppiras (Techniques and Equipment for Fatique Testing at very High Frequencies, Proc.
ASTM 59 1959) und in der AT-PS Nr. 354146 beschrieben worden. Auch bei diesen Einrichtungen wird ein stabförmiges, mit einem Kragen versehenes Schallübertragungsstück verwendet.
Alle bisher bekannten Beschallungseinrichtungen haben den Nachteil, dass nur relativ geringe Kräfte dem Ultraschall überlagert werden können. Bei der Aufbringung von grösseren Kräften kommt es zu starken Dämpfungserscheinungen. Das führt nicht nur zu grossen Wärmeentwicklungen in der Beschallungseinrichtung, sondern auch dazu, dass der Ultraschall zu stark gedämpft wird, so dass der beabsichtigte Anwendungszweck nicht mehr erfüllt werden kann.
Als Ursache dieser Dämpfung wird folgender Sachverhalt vermutet :
Durch eine stehende Welle des Ultraschalls im Schallübertragungsstück entsteht in dessen Mitte - also im Bewegungsknoten - die grösste Amplitude einer mechanischen Wechselspannung, die zur elastischen Verformung des Übertragungsstückes in diesem Bereich führt. In der Mitte des Schallübertragungsstückes befindet sich auch der Kragen, der zur Aufnahme einer Kraft auf einem Kraftübertragungsstück aufliegt. Die Ultraschallwechselverformung in der Mitte des Schallübertragungsstückes bringt auch eine Querkontraktion bzw. Querausdehnung mit sich, die zu einer Relativbewegung und damit zu Reibvorgängen zwischen Kragen und Krafteinleitungsvorrichtung führt. Es ist daher verständlich, dass bei grossen Überlagerungskräften die Reibung sehr gross wird und den Ultraschall stark dämpft.
Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Schallübertragungseinrichtungen ist die komplizierte Lagerung der Krafteinleitungsvorrichtung. Die Lagerung muss so ausgeführt werden, dass die Entstehung eines Biegemomentes in der angeschlossenen Einrichtung (z. B. Werkstoffprobe, Pressstempel) durch die überlagerte Belastung völlig ausgeschlossen wird. Biegemomente würden z. B. bei einer Ermüdungs- oder Rissausbreitungsmessung das Messergebnis völlig verfälschen.
Alle diese Nachteile zu beseitigen, war das Ziel der Erfindung. Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Schallübertragungsstück im Bereich des ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Schallwellenlänge mit einem senkrecht zur konstanten oder veränderlichen Kraft verlaufenden Langloch versehen ist und dass die Ankopplung einen dieses Langloch durchsetzenden Querbalken aufweist, der einerseits unter Zwischenlage eines Abstützkörpers, beispielsweise einer Kugel, gegen das Schallübertragungsstück und anderseits gegen die Krafteinleitungsvorrichtung abgestützt ist.
Bei der erfindungsgemässen Ausführung der Beschallungseinrichtung wird die zu überlagernde Kraft sowohl in einem Bewegungsknoten als auch im Zentrum des Querschnittes der Beschal-
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lungseinrichtung überlagert. Im Zentrum des Querschnittes ist die Querkontraktion bzw. Queraus- dehnung, die durch die Ultraschallwellen hervorgerufen wird, praktisch Null.
Das Schallübertragungsstück wird vorzugsweise als Booster (ist eine Ausführungsform, die zur Amplitudenverstärkung oder Abschwächung dient und im Bereich des Bewegungsknotens meist eine viel grössere Querschnittsfläche aufweist als bei den Bewegungsbäuchen) ausgeführt.
Es stört daher das Langloch im Schallübertragungsstück zur Aufnahme des Querbalkens den
Schalldurchgang nicht, und es kommt auch zu keinen merklich störenden Schallreflexionen an der Oberfläche des Langloches. Grundsätzlich soll aber versucht werden, die Querschnittsschwächung im Schallübertragungsstück durch das Langloch im Verhältnis zum Gesamtquerschnitt möglichst klein zu halten. Das Schallübertragungsstück kann z. B. auch in Form eines Zylinders oder Prismas ausgeführt sein.
Der Querbalken kann z. B. einen rechteckigen, oder ovalen, oder runden Querschnitt haben.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Querbalken in einer Leichtbaukonstruktion auszuführen.
Der Abstützkörper ist bevorzugt in Form eines Wälzkörpers (z. B. einer Kugel) auszuführen.
Er kann jedoch auch die Form eines Kegelstumpfes, oder eines Zylinders haben, dessen Achse parallel zum Schallübertragungsstück verläuft. Diese Ausführung des Abstützkörpers wird durch eine zentrisch und parallel zur Achse des Schallübertragungsstückes verlaufende Bohrung bis zum Bewegungsknoten eingeschoben und dort durch eine Verbindung (z. B. Schraubung, Schweissung, Pressung, Klebung usw.) mit dem Übertragungsstück fixiert.
Gegebenenfalls kann im Querbalken eine dem Abstützkörper angepasste Vertiefung eingearbeitet sein, damit eine exakte Positionierung bei der Montage und während des Betriebes gewährleistet ist.
Die erfindungsgemässe Ausführung des Abstützkörpers als Wälzkörper, z. B. einer Kugel, hat zur Folge, dass das Schallübertragungsstück gegenüber der Krafteinleitungsvorrichtung in beliebiger Richtung geschwenkt werden kann. Wird z. B. an das Schallübertragungsstück eine Ermüdungsprobe angeschraubt, so ist ausgeschlossen, dass ein technisch relevantes Biegemoment durch eine zu übertragende statische oder dynamische Beanspruchung auf die Probe wirken kann.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen die Fig. l einen Schnitt durch die Beschallungseinrichtung im Bereich der Krafteinleitung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 zeigt den Schnitt AB von Fig. l.
Die Beschallungseinrichtung besteht aus einem Schallübertragungsstück --1--, an das an einem Ende die Ultraschallquelle und an das andere Ende der Schallnehmer angekoppelt ist (Schallquelle und Schallnehmer sind in Fig. l und 2 nicht eingezeichnet). Durch das Langloch - im Schallübertragungsstück ist ein Querbalken --3-- geschoben. Dieser liegt einerseits auf der Krafteinleitungsvorrichtung --5-- und anderseits über dem Abstützkörper --4-- auf
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Am Schallübertragungsstück-l-erfolgt die Beschallung durch einen Ultraschallgeber in der Richtung des Pfeiles 6. In Richtung des Pfeiles 7 ist dann der Ultraschall der in Richtung 7 wirkenden Zugkraft überlagert.
Mit der in Fig. l und 2 dargestellten erfindungsgemässen Ausführung kann sowohl eine konstante oder schwellende Zug- oder Druckkraft dem Ultraschall überlagert werden.
Für eine Überlagerung einer Wechselbeanspruchung (mit Zug- und Druckanteil) mit Ultraschall sind zwei Ausführungsvarianten möglich :
Variante I : Zwei Beschallungseinrichtungen der oben beschriebenen Art werden so zusammen gekoppelt, dass eine Einrichtung für Zugüberlagerung und die zweite für Drucküberlagerung geeignet ist. Dabei müssen die beiden Krafteinleitungsvorrichtungen der beiden Beschallungseinrichtungen miteinander mechanisch fest verbunden sein. Die Ultraschallquelle bzw. der Schallnehmer kann nun beliebig an einem Ende eines Schallübertragungsstückes (besteht nun aus zwei hintereinander angeordneten Schallübertragungsstücken mit einer gesamten Länge von einer Wellenlänge des Ultraschalls) angekoppelt werden. Die zu überlagernde Wechselkraft wird auf die mechanisch feste Verbindung der beiden Krafteinleitungsvorrichtungen übertragen.
Diese
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Anordnung lässt ein Ausschwenken des Schallübertragungsstückes nicht zu.
Variante II : Ein zweiter Abstützkörper, der gegenüber dem ersten auf dem Querbalken liegt, muss in der oben beschriebenen Beschallungseinrichtung angebracht werden. Die Art der Anbringung ist bereits oben beschrieben worden und erfolgt durch eine zentrische, in der Achse verlaufende Bohrung. Zu überlagernde Zug- oder Druckkräfte werden jeweils von einem Abstützkörper übertragen. Der Anschluss von Schallnehmer und Schallquelle an das Schallübertragungsstück ist beliebig wählbar. Ein Ausschwenken des Schallübertragungsstückes ist nur sehr beschränkt möglich und wird vom Abstand der beiden Auflagepunkte der Abstützkörper auf dem Querbalken bestimmt.
Je näher die Auflagepunkte an dem Bewegungsknoten des Schallübertragungsstückes liegen, desto besser ist die Funktion der Beschallungseinrichtung.
Alle erfindungsgemässen Ausführungsformen sind bei Ein- und Zweischwinger-Systemen mit magnetostriktiven und piezoelektrischen Ultraschallerzeugern anwendbar, d. h. der Ultraschallbeanspruchung können im Ein- oder Zweischwinger-System mit der erfindungsgemässen Einrichtung konstante oder auch wechselnde Kräfte überlagert werden. Ebenso ist es möglich, diesen genannten Beanspruchungen noch eine Torsionsbeanspruchung zu überlagern.