DD215171B1 - Schlagbolzen fuer schlag-, pendelschlag- und fallwerke - Google Patents

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Schlagbolzen für Schlag-, Pendelschlag- und Fallwerke zur Registrierung von Schlagkraft-Zeit- bzw. Schlagkraft-Verformungs-Diagrammen bei hohen Schlaggeschwindigkeiten an Standardprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen, Halbzeugen, Bau- und Formteilen, z. B. aus Polymerwerkstoffen, sowie Folien. Auswertbare Diagramme sind die Voraussetzung zur Bestimmung werkstoffspezifischer Kennwerte durch Anwendung bruchmechanischer Beurteilungskonzepte, die einerseits als Grundlage für eine werkstoffgerechte Dimensionierung und andererseits als Zielgröße für die Werkstoffentwicklung dienen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für die Registrierung von Schlagkraft-Zeit- bzw. Schlagkraft-Verformungs-Diagrammen an Standardprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen, Halbzeugen, Bau-und Formteilen aus Polymerwerkstoffen, sowie Folien werden in Schlag, Pendelschlag- und Fallwerken verschiedenartige instrumentierte Schlagbolzen eingesetzt. Durch die Instrumentierung wird eine getrennte elektronische Erfassung von Schlagkraft und dazugehöriger Verformung während des Verformungsvorganges möglich, wodurch die Prozesse der Rißeinleitung und Rißausbreitung registrierbar werden. Darüber hinaus können bruchmechanische Beurteilungskonzepte zur Werkstoffcharakterisierung angewendet werden.

Es sind Schlagbolzen bekannt, die insbesondere zur Folienprüfung/Kunststoffe 51 (1960) 491/ verwendet werden, die den Prüfkörper in senkrechter Richtung durchstoßen, bei denen zwischen Stoßelement und dem nachfolgenden Zylinderschaft Kraftmeßwertaufnehmer, vorzugsweise Piezokraftmeßdosen, angeordnet sind, wobei Stoßelement und nachfolgender Zylinderschaft den gleichen Durchmesser besitzen oder der Zylinderschaft zur Vermeidung von Verformungsbehinderungen während des Verformungsvorganges ausgebildet ist.

Als Stoßelemente werden halbkugel-, Pyramiden- und kegelförmige Körper/Kunststoffe 59 (1969) 375/ verwendet, die wahlweise auf den Zylinderschaft aufsetzbar sind.

Weiterhin sind Schlagbolzen bekannt (Materie Piastiche ed Elastomer! 10 (1976) 765/, bei denen als Kraftmeßwertaufnehmer Dehnungsmeßstreifen eingesetzt werden, die in einer senkrecht zur Zylinderschaftachse angebrachten Bohrung befestigt werden. Als Stoßelemente werden verschiedenartige Körper verwendet, deren Durchmesser gleich oder kleiner als der des Zylinderschaftes ist, auf dem sich die Kraftmeßwertaufnehmer befinden.

Nachteil dieser Schlagbolzen ist es, daß dem tatsächlichen Schlagkraft-Verformungs-Verlauf zusätzliche Schwingungen überlagert werden, die keine exakte Festlegung der aus dem Schlagkraft-Verformungs-Diagramm zu entnehmenden Meßgrößen, wie maximale Schlagkraft F_max, Kraft beim Übergang vom elastischen zum elastisch-plastischen Werkstoffverhalten Fqy, elastischer Anteil an der Verformungs- bzw. Schädigungsarbeit, plastischer Anteil an der Verformungs- bzw.

Schädigungsarbeit und die entsprechenden Verformungswerte f_max und f_Gv. Dadurch wird der Einsatzbereich der Schlagbolzen bezüglich der Schlaggeschwindigkeit und der Prüftemperatur in unbefriedigender Weise begrenzt.

Ein weiterer Nachteil der zur Vermeidung von Störschwingungen insbesondere für die Folienprüfung verwendeten Anordnung mit feststehenden Schlagbolzen und durch spezielle Vorrichtungen geführten Prüfkörper besteht darin, daß eine Prüfung von Bau- und Formteilen sowie Halbzeugen mit beliebigen geometrischen Dimensionen nicht oder nur mit aufwendigen zusätzlichen Haltevorrichtungen möglich ist.

Nachteilig für die Aufnahme von schwingungsarmen Schlagkraft-Verformungs-Diagrammen sind Schlagbolzen mit Aufnahmevorrichtungen für auswechselbare Stoßelemente für den Stoßvorgang und auswechselbare Masseelemente zur Erhöhung der Schlagenergie, wobei zusätzliche Kräfte aus schlagkörperspezifischen Wechselwirkungen und Reflexionen auftreten.

Weiterhin ist bekannt, daß instrumentierten Schlagbolzen in Schlag-, Pendelschlag- und Fallwerken zur Registrierung schwingungsarmer Schlagkraft-Verformungs-Diagramme elektronische Filter oder mechanische Dämpfungselemente nachgeordnet werden.

Nachteilig ist dabei, daß zur Kontrolle des auftretenden Meßfehlers eine ständige Kontrolle der Frequenzcharakteristik des elektronischen Weges des Kraftsignals notwendig wird, da mit sinkender Grenzfrequenz eine Verringerung der Schlagkraft auftritt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der zeitliche Beginn der instabilen Rißausbreitung und damit die Buchzeit bzw. die kritische Verformung, sowie der Kraftabfall nach der Bruchinstabilität nicht exakt festgelegt werden können.

Problematisch bei der Verwendung mechanischer Dämpfungselemente ist die Kraftkalibrierung.

Der wesentliche Nachteil der Verwendung verschiedenartiger instrumentierter Schlagbolzen in Schlag-, Pendelschlag- und Fallwerken besteht darin, daß die gewonnenen Kennwerte nicht vergleichbar sind. Durch die verschiedenartigen Stoßelemente entstehen Unsicherheiten bei der Werkstoffcharakterisierung, insbesondere bei der Festlegung von spröd-zäh-Übergangstemperaturen, die zur Überbewertung der Zähigkeit führen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Schlagbolzen zu entwickeln, mit dessen Hilfe auf rationelle Weise Schlagkraft-Zeit- bzw. Schlagkraft-Verformungs-Diagramme an Standardprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen, Halbzeugen, Bau- und Formteilen, z. B. aus Polymerwerkstoffen, sowie Folien ohne Meßwertverfälschung und mit hoher Reproduzierbarkeit registriert werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schlagbolzen geometrisch so zu gestalten, daß sowohl die meßwertverfälschende Überlagerung von Störschwingungen auf das Schlagkraft-Verformungs-Diagramm vermieden, als auch herkömmliche Kraftmeßwertaufnehmer verwendet werden können und der Schlagbozen unter allen experimentellen Bedingungen, insbesondere hohen Schlaggeschwindigkeiten und extremen Prüftemperaturen einsetzbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Stirnfläche eines Zylinderschaftes ein Stoßelement angeordnet ist, wobei Zylinderschaft und Stoßelement fest verbunden sind oder aus einem Werkstück bestehen. Dabei ist das Stoßelement vorzugsweise als Kegel mit abgerundeter kugelförmiger Spitze ausgebildet. Gemäß der Erfindung ist auch die Verwendung anderer geometrischer Körper, wie ein einfacher planer Zylinder, eine Kugelkalotte, ein spitzer Kegel, ein Kegelstumpf oder ein Kegel mit abgerundeter Spitze, eine Pyramide oder eine Finne als Stoßelement möglich. Der Durchmesser des Zylinderschaftes ist erfindungsgemäß kleiner als der Durchmesser des Stoßelementes. Dabei ist die Länge des Zylinderschaftes wesentlich größer als sein Durchmesser sowie die Länge des Stoßelementes. Der Zylinderschaft ist mit einer Zylinderschaftbohrung versehen, so daß der Zylinderschaft über einen wesentlichen Teil seiner Länge als Hohlkörper ausgebildet ist. Am Ende der Zylinderschaftbohrung ist im Zylinderschaft, senkrecht zur Zylinderschaftbohrung, eine Zuleitungsbohrung für die elektrische Zuleitung eingebracht.

Der Zylinderschaft kann auch konisch, also als Kegelstumpf, ausgebildet sein. Darüber hinaus sind für den Zylinderschaft weitere Querschnittsformen, wie sechseckig, ellipsenförmig oder prismatisch, möglich, was sich günstig auf die Dämpfung der Störschwingungen auswirken kann.

Gemäß der Erfindung sind auf dem Zylinderschaft ein oder mehrere Ringelemente angeprdnet, deren Durchmesser gleich oder größer ist als der Durchmesser des Stoßelementes. Die Ringelemente sind mit dem Zylinderschaft fest verbunden, beispielsweise sind Zylinderschaft und Ringelement aus einem Werkstück gefertigt. Erfindungsgemäß sind zwischen dem Ringelement, welches dem Stoßelement am nächsten liegt, und dem Stoßelement Meßwertaufnehmer für die Schlagkraft angeordnet. Als Kraftmeßwertaufnehmer werden ein oder mehrere Dehungsmeßstreifen eingesetzt, die auf dem Zylinderschaft in eingefrästen Nuten oder auf angefasten Flächen positioniert werden. Die Kraftmeßwertaufnehmeranschlüsse werden durch ein oder mehrere Bohrungen im bereits genannten Ringelement zu einer elektronischen Leiterplatte geführt, die sich auf dem Ringelement befindet.

Die elektrische Zuleitung für das Kraftsignal wird von der elektronischen Leiterplatte weiter durch die Zuleitungsbohrung im Zylinderschaft, die Zylinderschaftbohrung und die im zweiten, oberen Ringelement ebenfalls senkrecht zur Zylinderschaftbohrung eingebrachte Ableitungsbohrung mit dem darin angeordneten Isolierschlauch zum Anschluß an die nachgeschaltete Meßwertverstärkerbaugruppe geführt.

Durch die auf dem Zylinderschaft angebrachten Kraftmeßwertaufnehmer werden örtliche und zeitliche Verschiebungen registriert und nachgeschalteten elektronischen Baugruppen zugeführt. Auf dem Zylinderschaft können gemäß der Erfindung weitere Ringelemente angeordnet werden, wobei der Abstand zwischen den Ringelementen größer ist als der Abstand zwischen dem Stoßelement und dem ersten Ringelement. Dadurch wird eine möglichst eindimensionale Ausbreitung der elastischen Stoßwelle gewährleistet und die bei den bisherigen bekannten Lösungen auftretenden meßwertverfälschenden Schwingungsüberlagerungen weitestgehend vermieden. Durch die Festlegung der Abstände zwischen Stoßelement und dem ersten Ringelement wird die Zeit bzw. die kritische Verformung festgelegt, in der ohne Reflexionsüberlagerung die elastische Stoßwelle registriert wird.

Gemäß der Erfindung ist der Raum zwischen Stoßelement und dem ersten Ringelement mit einem Silikonkautschuk ausgefüllt, der die Beschädigung der Kraftmeßwertaufnehmeranschlüsse verhindert und gleichzeitig schwingungsdämpfend wirkt. Der so aufgebaute Schlagbolzen gestattet es, Schlagkraft-Zeit- bzw. Schlagkraft-Verformungs-Diagramme zu registrieren, die das tatsächliche Werkstoffverhalten während des Schlagvorganges widerspiegeln. Durch die vorgestellte geometrische Gestaltung des Schlagbolzens können meßwertverfälschende Schwingungsüberlagerungen vermieden werden. Durch eine exakte Festlegung der aus dem Schlagkraft-Verformungs-Diagramm zu entnehmenden Meßgrößen wird die exakte Angabe von für das jeweilige Werkstoffverhalten relevanten Bruchzähigkeitswerten möglich, die einen geringen Meßfehler und eine hohe Reproduzierbarkeit besitzen.

Der vorgestellte Schlagbolzen ist universell einsetzbar, sowohl für Fallwerke, bei denen die notwendige Energie für den Verformungsvorgang aus der Fallhöhe gewonnen wird, als auch für Schlagwerke mit horizontaler, geringfügig geneigter oder kreisförmiger Bewegungsrichtung mit verschiedenartigen Beschleunigungsaggregaten und Pendelschlagwerken. Bei der Anwendung der Erfindung für instrumierte Pendelschlagwerke wird der Schlagbolzen so ausgebildet, daß zur Ausschaltung mechanischer Störschwingungen die Pendelstange bevorzugt am zweiten Ringelement befestigt wird. Die Kräftefreiheit von Pendelaufhängung im Zeitpunkt des Schlages wird dadurch erzielt, daß symmetrisch zum Schlagbolzen eine zusätzliche Masse angeordnet wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel eines instrumentierten Schlagbolzens für Fallwerke erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Vorderansicht des instrumentierten Schlagbolzens

Fig.2: Draufsicht des instrumentierten Schlagbolzens

Fig.3: Schnitt A-A nach Fig.2

Fig.4: Schnitt B-B nach Fig.3

Der Schlagbolzen besteht aus einem Zylinderschaft 1, auf dessen einer Stirnfläche ein Stoßelement 2 in Form eines Metallkegels aufgesetzt ist, der starr mit dem Zylinderschaft 1 verbunden ist. Auf dem Zylinderschaft 1 befindet sich hinter dem Stoßelement 2 das erste Ringelement 3 und am Zylinderschaftende das zweite Ringelement 4. Zwischen dem Stoßelement 2 und dem ersten Ringelement 3 sind auf dem Zylinderschaft 1 Planflächen 5 angefast, auf die zur Instrumentierung die Kraftmeßwertaufnehmer 6 aufgeklebt werden. Der Zwischenraum zwischen dem Stoßelement 2 und dem ersten Ringelement 3 wird mit einem Silikonkautschuk 7 ausgefüllt. Hinter dem ersten Ringelement 3 befindet sich eine kreisförmige elektronische Leiterplatte 8, die durch eine Klebverbindung 9 mit dem Ringelement 3 fest verbunden wird. Die Kraftmeßwertaufnehmeranschlüsse 10 werden durch zwei Bohrungen 11 im ersten Ringelement 3 zur elektronischen Leiterplatte 8 geführt. Der Zylinderschaft 1 besitzt zwischen dem ersten Ringelement 3 und dem zweiten Ringelement 4 eine axial verlaufende Zylinderschaftbohrung 12, so daß der Zylinderschaft 1 über einen wesentlichen Teil seiner Länge als Hohlkörper ausgebildet ist. Am Ende der Zylinderschaftbohrung 12 ist im Zylinderschaft 1, senkrecht zur Zylinderschaftbohrung 12, eine Zuleitungsbohrung 13 eingebracht. Die elektrische Zuleitung 14für das Kraftsignal wird von der elektronischen Leiterplatte 8 durch die Zuleitungsbohrung 13, die Zylinderschaftbohrung 12 und die im Ringelement 4 ebenfalls senkrecht zur Zylinderschaftbohrung 12 eingebrachte Ableitungsbohrung 15 mit dem darin angeordneten Isolierschlauch 16 zum Anschluß an die nachgeschaltete Meßwertverstärkerbaugruppe geführt.

Zur Führung des Schlagbolzens in einem Fallrohr sind an den Ringelementen 3 und 4 Führungselemente 17 und Führungsnocken 18 angeordnet, wobei die Führungsnocken 18 aus einem isolierenden, schwingungsdämpfenden, verschleiß- und reibungsarmen Plastwerkstoff, beispielsweise Novotext, bestehen.

Zur Durchführung der Prüfung fällt der so instrumentierte Schlagbolzen aus vorgegebener Höhe auf den Prüfkörper, wobei zusätzlich die Schlaggeschwindigkeit des Schlagbolzens kurz vor dem Aufschlag bestimmt wird. Für die meßtechnische Erfassung der Verformung werden an sich bekannte Meßanordnungen verwendet. Die Anwendung des instrumentierten Schlagbolzens wurde am Beispiel von Bauteilen aus einem Polyolefin-, Polystyren- und Polyvinylchloridwerkstoff erprobt, wobei für verschiedene Schlaggeschwindigkeiten schwingungsarme Schlagkraft-Verformungs-Diagramme aufgezeichnet wurden, die eine exakte bruchmechanische Auswertung ermöglichen.

Claims (2)

Erfindungsanspruch:

1. Schlagbolzen für Schlag-, Pendelschlag- und Fallwerke mit beliebiger Bewegungsrichtung zur Registrierung von Schlagkraft-Zeit— bzw. Schlagkraft-Verformungs-Diagrammen an Standardprüfkörpern unterschiedlicher geometrischer Dimensionen, Halbzeugen, Bau- und Formteilen, z. B. aus Polymerwerkstoffen sowie Folien instrumentiert mit Dehnungsmeßstreifen, bei dem auf der Stirnfläche des Zylinderschaftes das Stoßelement angeordnet ist, wobei der Durchmesser des Zylinderschaftes kleiner als der Durchmesser des Stoßelementes ist und im Zylinderschaft eine axiale Zylinderschaftbohrung angeordnet ist, die am Ende auf eine senkrecht zu ihr im Zylinderschaft eingebrachte Zuleitungsbohrung trifft, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Zylinderschaft (Dein oder mehrere Ringelemente (3,4) starr angeordnet sind, deren Durchmesser gleich oder größer ist als der Durchmesser des Stoßelementes (2) und daß der Abstand zwischen den Ringelementen (3 und 4) wesentlich größer als der Abstand zwischen dem Stoßelement (2) und dem Ringelement (3) ist und daß auf dem Ringelement (3) eine Leiterplatte (8) angeordnet ist.

2. Schlagbolzen für Schlag-, Pendelschlag- und Fallwerke nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringelement (3) eine oder mehrere Bohrungen (11) und im Ringelement (4) eine Ableitungsbohrung (15) mit Isolierschlauch angeordnet sind