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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Pulsen, d. h. zum dynamischen Belasten von Proben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Um Aussagen zur Festigkelt bzw. zur Belastbarkeit von Bauteilen machen zu können, ist es üblich, entweder die Bauteile selbst oder Probestäbe aus dem gleichen Werkstoff wie die zu testenden Bauteile einer definierten dynamischen Belastung zu unterwerfen. Auf diese Art und Weise können Aussagen über die Zeit- und/oder Dauerfestigkeit der entsprechenden Bauteile getroffen werden.
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Es ist seit langem bekannt, Prüflinge mittels Hydraulik- oder Pneumatikzylindern zu belasten. Eine solche, hydraulische Prüfmaschine wird beispielsweise von der
DE 947 577 B beschrieben. Der Prüfling ist auf seiner einen Seite starr eingespannt. Auf seiner anderen Seite ist er an einer Kolbenstange befestigt, die auf ihn eine pulsierende Belastung ausübt, die durch einen Hydraulikzylinder erzeugt wird. Hierbei treten große Energieverluste auf. Die gesamte Energie, die zu Beginn eines Lastspiels zunächst aufgebracht wird, um den Prüfling zu verformen bzw. zu belasten und die vom Prüfling bzw. insbesondere auch dem System selbst gespeichert wird, wird bei der Entlastung des Prüflings am Ende des Lastspiels in Wärme umgewandelt, Dementsprechend heizt sich Hydraulikflüssigkeit auf. Es besteht ein entsprechend großer Kühlungsbedarf,
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Eine andere bekannte Möglichkeit zur dynamischen Belastung ist die Verwendung eines Feder-Massesystems, bei dem der Prüfling im Regelfall Bestandteil der Feder Ist. Ein solches System ist beispielsweise aus der
DE 20 2004 001 960 U1 bekannt. Gerade dort, wo der Prüfling einer hochfrequenten Wechselbeanspruchung unterworfen werden soll, ist es oft schwierig, die gewünschte Prüffrequenz zu erreichen.
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Eine weitere bekannte Methode zur dynamischen Belastung ist schließlich der Einsatz eines Exzenters bzw. Kurbeltriebs. Solche Belastungsvorrichtungen sind im Regelfall so gestaltet, dass der Exzenter bei jedem Umlauf einmal (in der Regel mittelbar) auf den Prüfling drückt und diesen um einen bestimmten Betrag verformt. Ist keine bestimmte Verformung des Prüflings erwünscht, sondern eine bestimmte Kraft bzw. ein bestimmtes Moment, sind Zusatzeinrichtungen notwendig, um die gewünschte Kraft bzw. das gewünschte Moment in kontrollierter Weise zu erreichen.
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Bekannt ist schließlich auch, die auf den Prüfling wirkende Belastung dadurch zu verändern, Indem - ähnlich wie bei einer Balkenwaage - ein Gewicht auf einem drehbaren Hebel verschoben wird. Diese vom Grundsatz her aus dem Waagenbau bekannte Machart kann auch zur dynamischen Belastung verwendet werden, indem dem Gewicht eine translatorische Bewegung auf dem Hebelarm aufgezwungen wird, etwa durch einen Kurbeltrieb, einen Linearmotor oder dergleichen. Die Frequenz der so darstellbaren Lastwechsel ist bei einer solchen Vorrichtung infolge der Massenträgheit des Gewichts begrenzt. Daher wird häufig auch so verfahren, dass die Belastung des Hebelarms nicht mittels eines verschiebbaren Gewichts sondern mittels einer Feder realisiert wird, Einer Feder, deren Angriffspunkt an dem Hebel verschoben wird, Diese Verschiebung verändert die Belastung des Prüflings.
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Die
DE 14 23 975 A zeigt eine nach dem vorgenannten Prinzip arbeitende Vorrichtung zum Bestimmen der Steifheit eines dehnbaren Materials, sodass insbesondere der Vulkanisationszustand des Materials bestimmt werden kann.
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Gleich, ob man ein Gewicht oder eine Feder verwendet, hat eine derartige Vorrichtung Nachteile. Diese ergeben sich aus den hin- und hergehenden Bewegungen und der damit zwangsläufig verbundenen Massenträgheit der bewegten Bauteile bzw. der Tendenz der ggf. statt des Gewichts verwendeten Feder ein Eigenschwingverhalten zu zeigen. Außerdem ist eine aufwendige Antriebskinematik erforderlich, um die hier in jedem Fall notwendige Transversalbewegung zu erzeugen.
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Im Lichte dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer sich Prüflinge mit vermindertem apparativen Aufwand und möglichst geringen Energieverlusten in einem weiten Frequenzbereich und insbesondere auch bei höheren Frequenzen mit einer definierten Kraft bzw. mit einem definierten Drehmoment belasten lassen.
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Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Vorrichtung Mittel aufweist, die derart gestaltet sind, dass sie den effektiven Hebelarm, an dem die in zumindest einem der Lastangriffsbereiche angreifende Kraft gegenüber die Drehachse des Hebels wirkt, verändern - wobei diese Mittel so wirken, dass sie die Richtung, aus der die Kraft an dem betreffenden Lastangriffsbereich angreift, zyklisch verändern.
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Dadurch, dass hier nur die Richtung, aus der die Kraft angreift, verändert werden muss, sind nur relativ kleine Kräfte aufzubringen, um eine sich zyklisch ändernde, nämlich eine dynamische Prüfbelastung aufzubringen. Die Grundlast, d. h. die Mittellast, um die die dynamische Belastung schwankt oder von der aus sie an- und abschwillt, belastet die Mittel, die die Kraftangriffsrichtung ändern nicht bzw. nur unmerklich. Sie müssen also nicht gegen diese Kraft anarbeiten. Die Zahl der bewegten Teile und vor allen Dingen deren Masse kann extrem klein gehalten werden. Somit sind insbesondere auch sich hochfrequenzzyklisch ändernde Prüfbelastungen ohne weiteres darstellbar.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die besagten Mittel ein biegeweiches Zugorgan umfassen. Über diese biegeweichen Mittel ist ein Lastangriffsbereich des beweglichen Hebels mit der Last oder dem Prüfling verbunden. Des weiteren ist bei dieser Ausführungsform ein vorzugsweise in Form eines Exzenters ausgeführtes Auslenkorgan vorgesehen, mittels dessen das Zugorgan zyklisch variabel ausgelenkt werden kann - und zwar so, dass es (je nach Auslenkungsgrad) aus unterschiedlichen Richtungen auf den Lastangriffsbereich trifft und sich so der effektive Hebelarm verändert, nämlich der Hebelarm, mit dem das Zugorgan am Lastangriffsbereich gegenüber der Drehachse des Hebels angreift.
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Ein biegeweiches Zugorgan überträgt nur Kräfte in der Richtung seiner Längsachse, Quer dazu ist es biegeweich. Ein solches biegeweiches Zugorgan kann massearm ausgeführt werden. Es erlaubt vor allem auf sehr einfache Art und Weise und ohne großen Kraftaufwand eine Umlenkung der Kraftangriffsrichtung. Hier macht man sich das Prinzip der sog. Seillinie zu Nutze: Auch ein Seil, das hohen Kräften in Richtung seiner Längsachse ausgesetzt und daher straff gespannt ist, kann durch relativ geringe Kräfte senkrecht zur Seilachse um namhafte Beträge ausgelenkt werden. Gerade wenn ein Exzenter verwendet wird, um das biegeweiche Zugorgan auszulenken, lässt sich zudem die Auslenkfrequenz in weiten Bereichen variieren. Zudem geht die in der Phase bis zur maximalen Auslenkung aufgebrachte Kraft (bzw. das am Exzenter aufgebrachte Moment) nur teilweise verloren, nämlich durch die unvermeidbaren Reibungsverluste. Dies deshalb, weil der Exzenter in der Phase, die sich an die maximale Auslenkung des biegeweichen Zugorgans anschließt, einen Teil der zuvor zur Auslenkung des biegeweichen Zugorgans aufgebrachten Energie wieder zurückvermittelt erhält, indem das biegeweiche Zugorgan den Exzenter in dieser Phase „zurückdrückt“ und so wieder beschleunigt.
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Idealerweise tritt der Exzenter über einen auf ihm drehbar gelagerten ihm gegenüber frei abrollenden Ring mit dem biegeweichen Zugmittel in Kontakt (ähnlich wie etwa die Rolle einer Rollenkette gegenüber der Kette abrollt, wenn sie mit dem Ritzel in Kontakt tritt), so dass sich nur minimale Reibungsverluste zwischen dem Exzenter und dem biegeweichen Zugmittel ergeben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass einer der Lastangriffsbereiche - und zwar vorzugsweise der, von dem das Zugmittel aus zum Prüfling verläuft - als Im wesentlichen zur Drehachse des Hebels konzentrischer Kurvenabschnitt gestaltet ist, an dem das Zugorgan so angreift, dass sich der effektive Hebelarm, mit dem das Zugorgan angreift, nicht wesentlich ändert, wenn sich der Hebel dreht. Dies ist deshalb ideal, da sich eine gewisse Drehung des Hebels nicht vermeiden lässt - weil sich der Prüfling im Regelfall unter der Prüflast mehr oder minder stark elastisch oder plastisch dehnt und daher um einen gewissen Betrag „nachgibt“, so dass sich der Hebel ein kleines Stück dreht. Sofern der besagte Lastangriffsbereich als zur Drehachse des Hebels konzentrischer Kurvenabschnitt gestaltet ist, wickelt er bei einer Drehung des Hebels lediglich ein Stück des Zugorgans auf, ohne dass sich jedoch der Hebelarm, unter dem das Zugorgan von dem Lastangriffsbereich abläuft, ändert. Auf diese Art und Weise wird der Einfluss der Elastizität des Prüflings auf die Prüfkräfte eliminiert, Vorzugsweise wird der konzentrische Kurvenabschnitt so gestaltet, dass sich der effektive Hebelarm überhaupt nicht ändert, wenn der Hebel sich dreht. Sofern keine ideale Gestaltung angestrebt wird, reicht es, dass sich der Hebelarm nicht wesentlich ändert, d. h. dass sich der Hebelarm nur so geringfügig ändert, dass der sich daraus ergebende Einfluss vernachlässigbar ist.
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Bevorzugt ist auch der Lastangriffsbereich, an dem das mit dem Auslenkorgan zusammenwirkende Zugmittel angreift, so gestaltet, dass sich die Minimallast und die Maximallast, die der Prüfling während eines Arbeitszyklus des Auslenkorgans erfährt, nicht wesentlich dadurch ändert, dass sich der Hebel etwas dreht. Auch hier geht es darum, Einflüsse, die sich aus der Längung des Prüflings unter dem Einfluss der Prüflasten ergeben können, zu eliminieren. Auch hier gilt, dass idealerweise sich die Minimallast und die Maximallast bei einer Drehung des Hebels überhaupt nicht ändern. Dieses lässt sich allerdings kaum vollständig gewährleisten, so dass es genügt, wenn keine Änderungen auftreten, die die Prüfbedingungen wesentlich beeinflussen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung eine Feder zur Aufbringung der externen Kraft aufweist, die derart ausgelegt ist, dass sich die Federkraft um weniger als ca. 1 %, idealerweise um weniger als 0,5 % ändert, wenn die Feder durch die im Prüfbetrieb auftretende Längung des Prüflings entlastet wird. Auch diese Maßnahme hilft im Einfluss einer elastischen Längung des Prüflings unter den Prüfkräften auf das Prüfergebnis zu eliminieren. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Feder verwendet wird, die annähernd die gleiche Federkraft aufbringt, gleich, ob sie nun um einen kleinen Betrag mehr oder weniger gedehnt ist. Vorzugsweise wird eine Schraubenfeder mit einer ausgesprochen flachen Federkernlinie verwendet.
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Die genaue Federkernlinie hängt nicht zuletzt auch von der Geometrie des Prüflings ab. Kleine Prüflinge, die sich unter dem Einfluss der Prüfkräfte allenfalls um wenige hundertstel Millimeter Länge dehnen, erfordern Schraubenfedern, deren Federkraft durch Dehnungsänderung von mehren hundertstel Millimetern nicht beeinflusst wird. Größere Prüflinge, die sich unter dem Einfluss der Prüfkräfte womöglich um Millimeter dehnen, erfordern Federn mit einer entsprechenden Federkernlinie,
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Auslenkorgan aus mehreren, vorzugsweise zwei, idealerweise vier Exzentern besteht, denen jeweils ein eigenes Zugorgan zugeordnet ist, wobei alle Zugorgane auf den gleichen Hebel wirken und wobei die Schwerpunkte der Exzenter derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass ein Massekraftausgleich gegeben ist, sich also Im Betrieb die Unwuchten der Exzenter gegeneinander aufheben. Eine derartige Konstruktion erlaubt es, auf einen einzigen Prüfling Prüfkräfte aufzugeben, die sich mit besonders hoher Frequenz ändern. Denn während einer Umdrehung der Exzenterwelle werden dem Hebel mehrere Lastimpulse mitgeteilt, so dass die Frequenz wächst. Zudem können die Exzenter schneller rotieren, ohne dass sich störende Unwuchten ergeben.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles, das an Hand der Figuren erläutert wird. Darin zeigen:
- 1; Eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2: Eine Frontalansicht des gleichen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3: Einen Schnitt durch die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung längs der Linie A-A.
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Die 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung 1. Der Prüfling 2 wird einenends an einem Fixpunkt festgelegt. Andernends wird er mittelbar oder unmittelbar (im Regelfall über eine geeignete Spannpratze) an einem Zugmittel 3 befestigt. Dieses Zugmittel kann ein Stahlseil oder ein Federstahlband sein. Bevorzugt wird es mit möglichst geringer Masse und zugleich in sich möglichst starr ausgeführt. Beispielsweise ist die Verwendung eines Kevlar-Bandes ideal, da dieses geringe Masse und hohe Zugfestigkeit vereint, Dieses Zugmittel wird an einem Punkt 4 des Hebels 5 festgelegt. Es läuft, bevor es den Festlegungspunkt 4 erreicht, über einen Kraftangriffsbereich 6. Dieser ist krelszentrisch zur Drehachse 7 des Hebels ausgestaltet, so dass der effektive Hebelarm H1, unter dem das Zugmittel 3 vom Hebel 5 abläuft, immer den Betrag H1 hat, auch wenn sich der Hebelarm beispielsweise ein kleines Stück im Uhrzeigersinn dreht, well der Prüfling 2 etwas nachgegeben hat.
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Auf der anderen Seite des Hebels ist ein weiteres biegeweiches Zugmittel 8 vorgesehen. Zur Ausführung dieses biegeweichen Zugmittels 8 können die gleichen Materialien verwendet werden wie für das biegeweiche Zugmittel 3 beschrieben. Dieses biegeweiche Zugmittel 8 ist in Punkt 9 am Hebel 5 befestigt und läuft über einen weiteren Lastangriffsbereich 10 vom Hebel 5 ab. Nach Verlassen des Hebels läuft es über die um die Achse 14 drehbar gelagerte Exzenterrolle 11, durch die es, je nach momentaner Stellung der Exzenterrolle, mehr oder minder ausgelenkt wird. Von der Extenterrolle 11 verläuft dieses biogewelche Zugmittel 8 (ggf. über einen oder mehrere Sätze Führungsrollen 12) zur Last 13. Die Last 13 ist hier als Massegewicht dargestellt. Ein solches ab- und auflastbares (z. B. durch Wegnahme oder Hinzufügung von Gewichtsblöcken, ähnlich wie von Fitnessgeräten bekannt) Massegewicht erlaubt eine sehr genaue Einstellung der Belastung, ist aber nachteilig, wenn sich die Prüfbelastung des Prüflings höherfrequent ändern soll. Für solche Anwendungsfälle wird stattdessen sinnvollerweise eine Feder verwendet. Und zwar vorzugsweise eine solche Feder, deren Federkraft durch geringe Änderungen des Federweges nicht wesentlich verändert wird. Sofern höchste Frequenzen gefahren werden sollen, empfiehlt sich die Verwendung einer gewichtsoptimierten Feder, um auch den Einfluss der trägen Masse der Feder möglichst auszuschalten. Der effektive Hebelarm, unter dem dieses zweite biegeweiche Zugmittel 8 am Hebel 5 angreift, besitzt den Betrag H2. Es ist nun leicht einzusehen, dass sich der Betrag H2 unmittelbar ändert, sobald der Exzenter 11 das über ihn laufende biegeweiche Zugmittel 8 mehr oder minder stark nach außen drückt (vgl. 3).
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Auch der Lastangriffsbereich 10 ist so gestaltet, dass sich (bei gleichbleibender Extenterstellung) der Hebelarm H2, unter das zweite biegeweiche Zugmittel 8 an dem Hebel 5 angreift, sich nicht ändert, wenn sich der Hebel auf Grund der Verformung des Prüflings um einen kleinen Betrag bewegt. Das bedeutet also, dass die im Laufe eines Exzenter-Zyklus aufgebrachte Minimal- und Maximallast unabhängig von geringfügigen Drehbewegungen des Hebels 5 gleich bleiben.
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Der Exzenter kann auf einfache Art und Weise angetrieben werden. Beispielsweise bietet sich ein simpler Drehstrommotor an. Ebenfalls auf sehr einfache Art und Weise ist ein Masseausgleich des Exzenters möglich. Es muss lediglich eine entsprechende Kompensationsmasse auf der Exzenterwelle 14 angebracht werden oder der Exzenter, der ja in radialer Richtung nicht geschlossen sein muss, sondern lediglich eine geschlossene Kontaktfläche an seinem Umfang haben muss, wird an geeigneter Stelle mit Aussparungen versehen.
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Um die Mittellast, d. h. die Last, um die die dynamische Belastung herum schwankt oder von der aus die dynamische Belastung an- und abschwillt, zu verändern, kann auf dem Wege des biegeweichen Zugmittels 3 zur Probe 2 eine weitere Belastungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise In Form eines Federhalters 16. Dieser Federhalter 16 greift am biegeweichen Zugmittel 3 an und bringt hier eine Vorspannkraft auf. Diese Vorspannkraft kann durch Verschieben des Federhalters 16 verändert werden. Auf diese Art und Weise kann nicht nur eine Zugschwellbelastung, sondern auch eine Wechselbelastung oder eine Druckschwellbelastung aufgebracht werden. Um eine Druckschwellbelastung aufzubringen, bietet sich insbesondere auch an, anders als hier gezeigt, das dem Exzenter abgewandte Ende der Probe 2 mit dem biegeweichen Zugmittel 3 zu verbinden und das dem Exzenter zugewandte zugewandte Ende der Probe festzusetzen. Insbesondere zur Realisierung sich hochfrequent ändernder Druckbelastungen wird so vorgegangen, da die Verwendung eines durchgängigen Zugmittels (dazu sogleich) weitgehend vermeidet dass träge Massen vorliegen. Soweit träge Massen keine allzu große Rolle spielen Akann im letztgenannten Fall alternativ auch so vorgegangen werden, dass der Abschnitt des biegeweichen Zugmittels, der die Probe mit dem Federhalter verbindet, gegen ein (zwangsläufig eine etwas höhere träge Masse aufweisendes) starres Kraftübertragungselement ausgetauscht wird, das vom Federhalter Druck auf den Prüfling übertragen kann. Das biegeweiche Zugmittel endet dann am Federhalter 16 und verändert die Kraft mit der der entsprechend vorgespannte Federhalter vermittels des besagten Kraftübertragungselements auf den Prüfling drückt. Der Federhalter sollte dabei möglichst nahe des Prüflings angeordnet werden um das Kraftübertragungselement schlank, damit mas- . searm und doch möglichst knicksicher ausführen zu können. Bei Einsatz des soeben beschriebenen Kraftübertragungselementes wird es auch möglich eine sog. Wechsellast aufzubringen, d. h. eine Last die zwischen einer Zugbelastung und einer Druckbelastung alterniert.
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In gleicher Weise und mit entsprechendem Nutzen kann auf der Seite des anderen biegeweichen Zugmittels 8 ein Federhalter 16 vorgesehen werden.
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Statt des hier in Form einer Exzenterscheibe gezeigten Exzenters 11 kann auch auf andere Art und Weise für die Auslenkung des biegeweichen Zugorgans 8 gesorgt werden. Selbst eine hydraulische oder eine hydropneumatische Auslenkung ist möglich. Gleichwohl ist die Auslenkung durch Exzenter bevorzugt. Denn die Auslenkung durch die Rotationsbewegung hat den Vorteil, dass ein nahezu vollständiger Massenausgleich bewerkstelligbar ist, etwa indem dem Exzenter Ausgleichsgewichte zugeordnet sind oder indem, wie In 1 gezeigt, zwei um je 180 Grad versetzte Exzenter über jeweils ein eigenes Zugmittel auf einen Hebel wirken. Auch die Zusammenschaltung zu einer Vorrichtung mit mehreren Prüfplätzen für mehrere verschiedene Prüflinge ist sinnvoll möglich. Die Exzenterscheiben werden dann alle auf einer gemeinsamen Welle gelagert und sind so angeordnet, dass ein Massenausgleich erreicht wird.
