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Die
Erfindung betrifft eine Prüfkörper-Spannvorrichtung
in einem Rheometer, mit zwei Spannbacken, zwischen denen ein Prüfkörper einspannbar ist,
und einer Betätigungsvorrichtung,
mittels der die Spannbacken aufeinander zu bewegbar sind.
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Ein
Rheometer und insbesondere ein Rotations-Rheometer dient üblicherweise
dazu, die rheologischen Größen oder
Kennwerte eines viskosen Stoffes zu ermitteln. Das Rheometer umfasst
ein unteres Messteil und ein oberes Messteil, die relativ zueinander
verstellbar sind. Bei einem Rotations-Rheometer ist das obere Messteil
dreh- oder oszillierbar. Zwischen den Messteilen ist ein Probenraum
zur Aufnahme einer Probe des zu untersuchenden Stoffes gebildet.
Die bei der relativen Verstellung zwischen dem oberen und dem unteren
Messteil auftretenden Kräfte
und Spannungen können
ermittelt werden, woraus sich die gewünschten rheologischen Kennwerte
errechnen lassen.
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Es
ist bekannt, ein Rotations-Rheometer so umzubauen, dass auch aus
einem formstabilen, festen Material bestehende Prüfkörper messtechnisch erfasst
werden können.
Zu diesem Zweck wird anstelle des oberen und unteren Messteils jeweils
eine Prüfkörper-Spannvorrichtung
angeordnet, mit der der zu untersuchende Prüfkörper, der üblicherweise quader oder stangenförmig ist,
an seinem oberen und unteren Ende jeweils eingespannt wird. Die
Prüfkörper-Spannvorrichtungen
werden dann relativ zueinander verdreht, wodurch der Prüfkörper tordiert
wird. Auch hierbei werden die bei der Verdrehung zwischen der oberen
und der unteren Prüfkörper-Spannvorrichtung
auftretenden Kräfte
und Spannungen ermittelt, woraus sich die gewünschten Materialkennwerte errechnen
lassen.
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Eine
bekannte Prüfkörper-Spannvorrichtung umfasst
einen feststehenden Anlageblock und einen mittels einer Gewindestange
verstellbaren Spannblock, dessen Abstand zu dem Anlageblock veränderbar
ist, so dass der zu untersuchende Prüfkörper zwischen dem Anlageblock
und dem Spannblock eingespannt werden kann. Da der Verstellweg des Spannblocks
relativ gering ist, lassen sich jedoch nur Prüfkörper in die Spannvorrichtung
einsetzen, die innerhalb eng begrenzter Abmessungsbereiche liegen. Um
auch Prüfkörper anderer
Abmessungen untersuchen zu können,
muss zunächst
der Anlageblock ausgebaut und gegen einen anderen Anlageblock ausgetauscht
werden. Dieses Vorgehen ist zeitaufwendig und mühsam und es ist darüber hinaus
notwendig, eine Vielzahl unterschiedlicher Anlageblöcke auf
Vorrat zu halten.
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Bei
einem Rotations-Rheometer ist eine um eine Längsachse drehbare Welle vorgesehen,
mittels der die beiden Prüfkörper-Spannvorrichtungen
relativ zueinander verdreht werden. Bei der Verwendung der bekannten
Prüfkörper-Spannvorrichtung
fällt die Dreh-
bzw. Längsachse
der Welle üblicherwei se
nicht bzw. nur im Ausnahmefall mit der Längsachse des Prüfkörpers zusammen,
so dass aufgrund der Außermittigkeit
resultierende Momente auftreten, wodurch die Messergebnisse verfälscht sein
können.
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Bei
der Ermittlung der Materialkennwerte sind auch die Umgebungsbedingungen
und insbesondere die Umgebungstemperatur zu beachten. Es kann auch
gewünscht
sein, dass zu untersuchende Material bei vorgegebenen Umgebungstemperaturen,
beispielsweise bei großer
Kälte oder
großer Wärme zu testen.
Aus diesem Grund ist es möglich, die
Umgebung des Prüfkörpers in
dem Rheometer auf eine gewünschte
Temperatur im Bereich von ca. –170°C bis +700°C einzustellen.
Dies hat jedoch zur Folge, dass der Prüfkörper in Folge der Temperatur nach
seinem Einsetzen in die Prüfkörper-Spannvorrichtung
schrumpft oder sich ausdehnt. Im ersten Fall kommt es zu einer Lockerung
oder sogar zur Aufhebung der Spannwirkung, so dass die Prüfkörper-Spannvorrichtung
nachgespannt werden muss. Bei sehr hohen Temperaturen kann es in
der Prüfkörper-Spannvorrichtung
zu sehr hohen Spannkräften kommen,
da der Prüfkörper sich
ausdehnt. Diese örtlich
sehr hohen Spannungen können
das Messergebnis verfälschen,
so dass auch hier eine nachträgliche
Verstellung der Prüfkörper-Spannvorrichtung notwendig
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfkörper-Spannvorrichtung in einem Rheometer
der genannten Art zu schaffen, mit der Prüfkörper unterschiedlicher Abmessungen
in einfacher Weise eingespannt werden können und bei der der Prüfkörper auch
bei Temperaturverformungen sicher gehalten ist.
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Dieser
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
Prüfkörper-Spannvorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei
ist vorgesehen, dass jede Spannba cke um eine eigene Achse schwenkbar
gelagert ist, wobei die Achsen parallel zueinander sowie parallel
zu einer Spannfläche
der jeweiligen Spannbacke verlaufen. Darüber hinaus ist den Spannbacken
ein gemeinsames Antriebsteil zugeordnet, mittels dessen auf die
Spannbacken eine Antriebskraft aufbringbar ist, die zu einer synchronisierten
Schwenkung beider Spannbacken führt.
In ihrer Spannstellung stehen die Spannbacken unter Wirkung einer
gemeinsamen Spannfeder.
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Die
Verwendung von zwei schwenkbar gelagerten Spannbacken ermöglicht es,
den Abstand zwischen den Spannflächen
der Spannbacken in relativ großen
Bereichen zu verändern
und somit Prüfkörper unterschiedlichster
Abmessungen aufzunehmen, ohne dass die Prüfkörper-Spannvorrichtung umgebaut
werden muss. Aufgrund des gemeinsamen Antriebsteils für die beiden
Spannbacken ist sichergestellt, dass die Schwenkbewegung der beiden Spannbacken
synchronisiert ist, wobei die Spannflächen der Spannbacken immer
parallel zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise legen sich
die Spannbacken gleichmäßig und
vollflächig
auf entgegengesetzten Seiten des Prüfkörpers an diesen an und spannen
ihn zwischen sich fest. Dabei sind die Spannbacken vorzugsweise
in jeder Schwenkstellung symmetrisch zu einer Drehachse des Rheometers
angeordnet, so dass der Prüfkörper beim
Festspannen in Richtung senkrecht zu den Spannflächen der Spannbacken relativ
zu der Drehachse der Welle des Rheometers zentriert wird.
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In
der eingespannten Stellung wird der Prüfkörper erfindungsgemäß nicht
in formschlüssiger Weise
festgehalten, sondern die Spannbacken werden mittels einer gemeinsamen
Spannfeder kraftschlüssig
in ihrer Spannstellung gehalten. Auf diese Weise erfolgt die Klemmung
des Prüfkörpers mit
definierter Spannkraft. Falls Temperaturdehnungen oder – schrumpfungen
des Prüfkörpers und
der Spannbacken auftreten sollten, können diese Maßabweichungen
aufgrund der Federkraft der Spannfeder ausgeglichen werden, so dass
der Prüfkörper auch
in diesem Fall sicher gehalten ist. Es hat sich gezeigt, dass auch
bei relativ großen Änderungen der
Geometrie im Bereich von ca. 10% eine sichere Halterung des Prüfkörpers gewährleistet
ist, ohne dass die Prüfkörper-Spannvorrichtung
nachgespannt zu werden braucht.
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Als
Material für
die Prüfkörper-Spannvorrichtung
und insbesondere für
die Spannbacken sollten temperaturstabile und stark wärmeleitende
Werkstoffe verwendet werden. Vorzugsweise findet eine Mischung aus
hochtemperaturfestem Edelstahl und einer Kupferlegierung Verwendung,
die auch hartvergoldet sein kann.
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Darüber hinaus
können
die Spannbacken auswechselbar gelagert sein, um bei bestimmten Materialien
der Prüfkörper, die
beispielsweise eine Klemmflächenprofilierung
oder ähnliches
benötigen, entsprechende
Spannbacken einbauen zu können.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Spannfeder über
das Antriebsteil, bei dem es sich vorzugsweise um einen drehbar
gelagerten Antriebsring handelt, auf die Spannbacken einwirkt. Auf
diese Weise ist sichergestellt, dass die Federkraft der Spannfeder
gleichmäßig und
zu gleichen Teilen auf die Spannbacken und somit den Prüfkörper einwirkt.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Betätigungsvorrichtung
eine Stellschraube aufweist, mittels der die Spannfeder spannbar
ist. Mit Hilfe der Stellschraube kann ein Benutzer die Vorspannung
einstellen, mit der die Spannbacken in der Spannstellung am Prüfkörper anliegen.
Die Spannfeder kann auswechselbar sein, um auf diese Weise durch
Verwendung einer anderen, d.h. härteren
oder weichern Spannfeder andere Vorspannkräfte realisieren zu können.
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Die
aufeinander zu gerichtete Schließbewegung der Spannbacken wird
erreicht, indem mittels der Betätigungsvorrichtung
bei entspannter Spannfeder eine Drehbewegung auf das Antriebsteil
in formflüssiger
Weise aufgebracht wird. Diese Drehbewegung kann beispielsweise dadurch
erzeugt werden, dass die Stellschraube von einem Benutzer so verstellt
wird, dass sie sich an einen Ansatz des Antriebsteils anlegt und
das Antriebsteil bei weiterer Verstellung verdreht. Die Drehung
des Antriebsteils führt
zu einer synchronen Schwenkung der Spannbacken, wodurch der Prüfkörper mit
definierter Vorspannung eingespannt wird. Zu diesem Zweck kann vorgesehen
sein, dass die Stellschraube eine umlaufende Nut aufweist, in der
der Ansatz des Antriebsteils angeordnet ist.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Stellschraube eine Außenverzahnung
einer Schnecke aufweist, die mit einem gestellfesten Verzahnungsprofil
des Rheometers in vorzugsweise selbsthemmendem Eingriff steht. Das gestellfeste
Verzahnungsprofil des Rheometers kann insbesondere an der Welle
des Rheometers bzw. einem daran fest angebrachten Bauteil ausgebildet sein.
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Vorzugsweise
weist die Stellschraube eine innere axiale Ausnehmung oder Bohrung
auf, mit der sie frei verschieblich auf einem Lagerstift des Antriebsteils
sitzt. Dabei kann die Spannfeder im Inneren der Ausnehmung angeordnet
sein und sich einerseits am Lagerstift und andererseits am Boden
der Ausnehmung abstützen.
Auf diese Weise ist der weitere Vorteil erreicht, dass die Spannfeder
vor äußeren Einflüs sen und
insbesondere Verschmutzung weitestgehend geschützt ist.
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Um
mit relativ geringen Kräften
eine ausreichende Spannwirkung zu erreichen und um den Spannweg
relativ fein einstellen zu können,
ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Antriebsteil
an dem der jeweiligen Achse abgewandten Endabschnitt der Spannbacke
an dieser angreift.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Prüfkörper-Spannvorrichtung,
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2 eine
teilweise geschnitten dargestellte Aufsicht auf die Prüfkörper-Spannvorrichtung
mit eingesetztem Prüfkörper zu
Beginn des Spannvorgang,
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3 die
Prüfkörper-Spannvorrichtung
gemäß 2 während des
Spannvorgangs,
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4 die
Prüfkörper-Spannvorrichtung
gemäß 3 bei
Erreichen der Spannstellung und
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5 die
Prüfkörper-Spannvorrichtung
gemäß 4 nach
Aufbringen der Feder-Spannkraft auf den Prüfkörper.
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1 zeigt
eine Prüfkörper-Spannvorrichtung 10,
die auf einer Welle 11 eines Rotations-Rheometers sitzt.
Die Welle 11 ist zusammen mit der Prüfkörper-Spannvorrichtung 10 um
eine Längsachse
D drehbar.
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Die
Prüfkörper-Spannvorrichtung 10 umfasst zwei
Spannbacken 12, 13, zwischen denen ein Aufnahmeraum 14 zur
Aufnahme eines Prüfkörpers P (siehe 2)
gebildet ist. Desweiteren ist in 1 eine Stellschraube 21 mit
einem Betätigungsabschnitt 15 dargestellt,
durch deren Drehung die beiden Spannbacken 12, 13 aufeinander
zu oder voneinander weg bewegt werden können, wodurch der Prüfkörper P ein
oder ausgespannt wird.
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Wie 2 zeigt,
ist ein an der Welle 11 fest angebrachtes Bodenteil 19 vorgesehen,
das an zwei relativ zur Längsachse
D diametral gegenüberliegenden
Stellen jeweils einen Lagerstift 16 bzw. 17 trägt. Auf
jeden Lagerstift 16 bzw. 17 ist eine der Spannbacken 12, 13 drehbar
aufgesetzt, so dass die gemäß 2 rechte
Spannbacke 12 um eine Drehachse A1 und
die gemäß 2 linke
Spannbacke 13 um eine Drehachse A2 schwenkbar
sind. Die Drehachsen A1 und A2 verlaufen
parallel zueinander sowie parallel zur Längsachse D der Welle 11 des
Rheometers.
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Die
Spannbacken 12, 13 verlaufen im wesentlichen parallel
zueinander, wobei insbesondere ihre einander zugewandten Spannflächen 12a und 13a parallel
verlaufen und zwischen sich den Aufnahmeraum 14 bilden,
in den der Prüfkörper P lose
so eingesetzt ist, dass seine Längsachse
mit der Längsachse
D der Welle 11 zusammenfällt. Der Prüfkörper liegt dabei mit seiner
Unterseite auf dem Bodenteil 19 auf.
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An
dem Bodenteil 19 ist desweiteren ein Verzahnungsblock 28 angeordnet,
der ein außenseitiges Verzahnungsprofil 29 trägt.
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Das
Bodenteil 19 und insbesondere die beiden Spannbacken 12, 13 sind
von einem Antriebsteil in Form eines drehbaren Antriebsrings 18 umgeben, der
zwei Anlageflächen 18a und 18b aufweist,
mit denen er auf der der jeweiligen Spannfläche 12a bzw. 13a abgewandten
Rückseite
der Spannbacken 12 bzw. 13 mit diesen in Anlage
bringbar ist, wodurch bei einer weiteren Drehung des Antriebsrings 18 den Spannbacken 12 bzw. 13 eine
Schwenkung um die jeweilige Drehachse A1 bzw.
A2 aufgezwungen wird. Da die Anlageflächen 18a und 18b an
einem gemeinsamen Antriebsteil, d.h. dem Antriebsring 18 ausgebildet
sind, sind die Schwenkbewegungen der Spannbacken 12 und 13 miteinander
synchronisiert, so dass die Spannflächen 12a oder 13a in
jeder Schwenkstellung der Spannbacken 12, 13 parallel zueinander
und symmetrisch zu der Längs-
bzw. Drehachse D der Welle 11 des Rheometers angeordnet
sind.
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An
dem ebenfalls um die Drehachse D drehbar angeordneten Antriebsring 18 ist
ein sich im wesentlich tangential zur Drehachse D erstreckender zylindrischer
Lagerstift 22 angebracht, der zur Lagerung einer Stellschraube 21 dient,
die Teil einer Betätigungsvorrichtung 20 der
Prüfkörper-Spannvorrichtung 10 ist.
Die Stellschraube 21 besitzt einen zylindrischen Grundkörper, in
dem eine axiale Ausnehmung oder Bohrung 27 ausgebildet
ist, mit der die Stellschraube 21 unter enger Passung,
jedoch frei verschieblich auf dem Lagerstift 22 sitzt.
Innerhalb der Bohrung oder Ausnehmung 27 ist eine gewendelte
Druck- bzw. Spannfeder 25 angeordnet, die sich mit ihrem
einen axialen Ende am Boden der Bohrung oder Ausnehmung 27 abstützt und
mit ihrem entgegengesetzten Ende mit der Stirnseite des Lagerstiftes 22 in
Anlage bringbar ist. In 2 ist die Spannfeder 25 in
einem entspannten, kraftlosen Zustand.
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Die
Stellschraube 21 besitzt eine Außenverzahnung 23 einer
Schnecke, die mit dem Verzahnungsprofil 29 des Verzahnungsblocks 28 in
Eingriff steht.
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An
dem dem Lagerstift 22 abgewandten Ende der Stellschraube 21 ist
in dieser eine umlaufende Vertiefung oder Ringnut 24 ausgebildet,
in der ein stiftförmiger
Ansatz 26 des Antriebsrings 18 unter in Längsrichtung
der Stellschraube 21 vorhandenem Spiel eingreift, wobei
der Ansatz 26 am Boden der Ringnut 24 anliegt.
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Im
Folgenden soll anhand der 2 bis 5 die
Funktionsweise der Prüfkörper-Spannvorrichtung 10 im
einzelnen erläutert
werden. 2 zeigt den Ausgangszustand,
wobei der Prüfkörper P zwischen
die parallel ausgerichteten Spannbacken 12 und 13 mit
Spiel eingesetzt ist. Der Antriebsring 18 steht mit den
Spannbacken 12, 13 nicht in Anlage und die Spannfeder 25 befindet
sich in einem vollständig
entspannten Zustand. Die Spannbacken 12 und 13 können durch
nicht dargestellte Federn in ihre geöffnete Stellung vorgespannt
sein.
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Wenn
die Stellschraube 21 gedreht wird, führt sie eine axiale Verschiebung
auf dem Lagerstift 22 aus, bis die Flanke der Ringnut 24 mit
dem Ansatz 26 des Antriebsrings 18 in Anlage kommt.
Dieser Zustand ist in 2 dargestellt. Eine weitere
Drehung der Stellschraube 21 führt über die Anlage der Ringnut 24 und
den Ansatz 26 zu einer Drehbewegung des Antriebsrings 18,
der sich mit seinen Anlageflächen 18a und 18b jeweils
am freien, den Drehachsen A1 und A2 abgewandten freien Ende der Spannbacken 12, 13 an
diesen anlegt und diesen eine Schwenkbewegung aufzwingt, wodurch
der Abstand zwischen den Spannflächen 12a und 13a der
Spannbacken 12 und 13 geringer wird, wie es aus 3 ersichtlich
ist. Da der Antriebsring 18 und die Stellschraube 21 als
Einheit drehen, bleibt die Spannfeder 25 zunächst weiterhin
vollständig
entspannt.
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Die
Drehung der Stellschraube 21 wird fortgesetzt, so dass
es zu einer weiteren Drehung des Antriebsrings 18 kommt,
wodurch die Spannbacken 12 und 13 mit ihren Spannflächen 12a und 13a von entgegengesetzten
Seiten in Anlage mit dem Prüfkörper P kommen
und diesen zwischen sich einspannen. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt.
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Da
die Spannbacken 12 und 13 nun fest an dem Prüfkörper P anliegen,
wandert die Stellschraube 21 bei weiterem Drehen aufgrund
des Reaktionsmomentes an dem Eingriff ihrer Außenverzahnung 23 mit
dem Verzahnungsprofil 29 von der Anlage ihrer Ringnut 24 mit
dem Ansatz 26 des Antriebsrings 18 weg in Richtung
des Lagerstiftes 22.
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Dadurch
wird die im Inneren der Stellschraube 21 angeordnete Spannfeder 25 gegen
den Lagerstift 22 gedrückt
und dadurch gespannt. Dieser Zustand ist in 5 dargestellt.
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Wenn
sich die Spannkraft der Spannbacken 12 und 13 aufgrund
von thermischen Einflüssen
an der Prüfkörper-Spannvorrichtung
oder dem zu messenden Prüfkörper während einer
Messung ändert, sorgt
die Spannfeder 25 für
einen Spannkraftausgleich an dem zwischen den Spannbacken eingespannten
Probenkörper,
indem sie ihre axiale Länge verändert, d.h.
sich spannt oder entspannt, und auf diese Kraftveränderung
mit annähernd
gleicher Reaktionskraft reagiert. Dieses Verschieben resultiert aus
der Drehbewegung des Antriebsrings 18, der durch das Öffnen oder
Schließen
der Spannbacken 12, 13 ausgelöst ist. Diese automatische
Nachstellung der Spannkraft ist möglich, da die Außenverzahnung 23 der
Stellschraube 21 selbsthemmend ausgelegt ist.