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Die
Erfindung betrifft ein Pendelschlagwerk zur Werkstoffprüfung und
Ermittlung von mechanischen Eigenschaften eines Materials, welches
einen Prüfkörper durch
Aufprall belastet.
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Es
ist bekannt, dass die am häufigsten
auftretende Belastungsart auf den meisten Gebieten der Technik eine
Biegebelastung ist. Bei den meisten Werkstoffen, besonders jedoch
bei Kunststoffen, unterscheiden sich die Eigenschaften an den Bauteiloberflächen sehr
stark von jenen im Bauteilinneren, insbesondere in Folge der Herstellungsbedingungen. Dementsprechend
unterscheiden sich daher die Biegeeigenschaften durch die deutlich
höhere
Randschichtbelastung von jenen der Zugeigenschaften. Biegeversuche
sind daher meist Zugversuchen vorzuziehen. Prüfkörper die auf Biegung belastet
werden, lassen sich zudem meist leichter herstellen und sie können in
Folge ihrer einfachen Gestalt sehr gut Bauteilen entnommen werden.
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Aus
der US 2004/0103713 A1 ist ein Pendelschlagwerk bekannt, welches
eine auf einer Betonplatte verankerte Basisplatte aufweist, auf
welcher ein Rahmen bzw. ein Gerüst
befestigt ist, an welchem ein Schlagpendel drehbar gelagert ist.
Das sehr massiv ausgeführte
Pendelschlagwerk ist zum Crashtesten von Fahrzeugkomponenten, beispielsweise
kompletten Fahrzeugrädern,
vorgesehen. Dabei ist ein Datenerfassungssystem vorgesehen, welches
insbesondere Beschleunigungen und Verzögerungen beim Aufprall erfasst.
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Mit
weiteren bekannten Pendelschlagwerken werden die Energien gemessen,
die zur Zerstörung eines
Prüfkörpers oder
Bauteiles notwendig sind. Bei der einfachsten Form eines Pendelschlagwerkes
zur Ermittlung von Belastungen von Prüfkörpern wird der Prüfkörper durchschlagen,
wobei das Pendel nach dem Durchschlagen des Prüfkörpers mit der restlichen Energie
weiter schwingt. An dem Punkt, an dem das Pendel wieder zurückschwingt,
wird der Winkel gemessen und mit dessen Hilfe die zum Durchschlagen
des Prüfkörpers verbrauchte
Energie errechnet. Bei dieser Art von Pendelschlagwerken erfolgt
daher eine messtechnische Erfassung der zur Zerstörung des
Prüfkörpers notwendigen
Energien.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pendelschlagwerk zur Verfügung zu
stellen, welches als Tischgerät
ausgeführt
sein kann und mit welchem Prüfkörper aus
unterschiedlichen Materialien wesentlich höheren Geschwindigkeiten bei
der Belastung ausgesetzt werden können, als es mit den bekannten
Pendelschlagwerken möglich
ist.
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Gelöst wird
die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass zwei aufeinander
zu bewegbare Pendel vorgesehen sind, wobei am Endstück des einen
Pendels der Prüfkörper befestigbar
ist, derart, dass der Prüfkörper beim
Aufeinanderprallen der Pendel mit der Relativgeschwindigkeit der
Pendel belastet wird.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Pendelschlagwerk
lässt sich
mit Pendeln einer Pendelarmlänge
von etwa 0,5 m antriebsfrei eine Belastungsgeschwindigkeit von etwa
9 m/s beim Aufeinanderprall der beiden Pendel erreichen. Ein Einfachpendel
oder ein Fallturm würde
für die
gleiche Relativgeschwindigkeit eine Fallhöhe von 4 m erfordern. Mit der
Erfindung, einem sehr einfachen und sehr kompakten Gerät, lassen
sich daher sehr hohe Belastungen und Belastungsgeschwindigkeiten
an Prüfkörpern erreichen.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung im Vergleich zu herkömmlichen
Pendelschlagwerken ist es, dass der Impuls beim Aufschlag zwischen
den Pendelendstücken übertragen
und nicht auf andere Massen, beispielsweise auf den Geräterahmen über entsprechende
am Rahmen oder auf einer Grundplatte befestigten Gegenlager übergeht
und damit den Rahmen schwingend belastet.
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Bei
einer besonders einfachen Ausführung des
Pendelschlagwerks sind die Pendel um eine gemeinsame Achse drehbar
angeordnet.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Pendelschlagwerk
können
unterschiedlich ausgeführte
Prüfkörper unterschiedlichen
Belastungen ausgesetzt werden. Bei einer dieser Möglichkeiten
ist vorgesehen, dass der Prüfkörper derart
an dem einen Pendelendstück
befestigbar ist, dass er beim Aufeinanderprallen der Pendel einer
Biegebelastung ausgesetzt ist. In diesem Fall kann der Prüfkörper am
betreffenden Pendelendstück
auf einfache Weise mittels federnder Elemente gehalten werden, die
eine Biegung des Prüfkörpers und
damit eine Bewegung des Prüfkörpers relativ
zu den federnden Elementen zulassen.
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Bei
einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Prüfkörper derart
an dem einen Pendelendstück
befestigbar ist, dass er beim Aufeinanderprallen der Pendel einer
Druckbelastung ausgesetzt ist. Auch zum Durchführen einer Druckbelastung kann
der Prüfkörper auf
einfache Weise an dem betreffenden Pendelendstück befestigt werden. Bei einer
der möglichen
Varianten wird der Prüfkörper auf
einer Platte oder dergleichen aufliegend mittels Halteelementen,
beispielsweise Federbügeln, gehalten.
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Für die Durchführung von
Druck- und Zugbelastungen ist es von Vorteil, wenn das Endstück des zweiten
Pendels mit einem Schlagelement versehen ist.
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Es
besteht auch die Möglichkeit,
mit einem erfindungsgemäßen Pendelschlagwerk
einen Prüfkörper einer
Zugbelastung auszusetzen, indem eine entsprechende Befestigung des
Prüfkörpers an
dem einen Pendelendstück
erfolgt. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, den Prüfkörper mit
zumindest einem Zugelement zu versehen, welches beispielsweise am
Prüfkörper befestigt
ist und welches vom Pendelendstück
des zweiten Pendels derart beaufschlagbar ist, dass der Prüfkörper auf
Zug belastet wird.
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Es
vereinfacht die Bedienung des Pendelschlagwerks erheblich, wenn
Bremseinrichtungen zum Halten der Pendel in den ausgewählten ausgelenkten
Positionen vorgesehen sind, welche beispielsweise auf mechanische
oder elektromagnetische Weise lösbar
sind.
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Zum
Durchführen
unterschiedlicher Belastungen der Prüfkörper ist es von Vorteil, wenn
Endstücke
unterschiedlicher Massen vorgesehen sind, die auf austauschbare
Weise an den Pendelarmen befestigbar sind.
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Um
Verletzungen der das Pendelschlagwerk bedienenden Person auszuschließen, ist
es von Vorteil, wenn die Aufprallzone der beiden Pendel mit Schutzvorrichtungen
zumindest seitlich abdeckbar ist, wobei es günstig ist, wenn die Schutzvorrichtungen
zur Seite bewegbar angeordnet sind, um einen ungehinderten Zugang
zu den Pendelendstücken, insbesondere
zum Befestigen und Entfernen der Prüfkörper, zu ermöglichen.
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Um
eine automatische Weiterverarbeitung der Versuchdaten und der Daten
der Belastung in einem Rechner zu ermöglichen ist vorgesehen, dass das
Pendelschlagwerk an geeigneten Stellen mit entsprechenden Sensoren,
beispielsweise Sensoren zur Beschleunigungsmessung, mit Weg- und/oder Winkelgebern,
mit Piezokraftsensoren und/oder Dehnmessstreifen und dergleichen
versehen ist.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Pendelschlagwerk
können
auch statische Belastungen an Prüfkörpern durchgeführt werden.
Zu diesem Zweck kann eine Zugvorrichtung vorgesehen sein, in welcher
die beiden Pendelendstücke
einspannbar sind. Zwischen den Pendelendstücken wird der Prüfkörper positioniert
und über
die Zugvorrichtung statisch auf Druck beansprucht.
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Um
einen Prüfkörper im
Biegelastfall gleichzeitig auch auf Zug oder Druck beanspruchen
zu können,
wird er auf besondere Weise ausgeführt. Eine streifenförmige Probe
des prüfenden
Materials wird dazu auf einem streifenförmigen, steifen Träger, beispielsweise
aus Aluminium oder Stahl, aufgeklebt. Diese Kombination bildet dann
den eigentlichen, mit dem Pendelschlagwerk zu belastenden Prüfkörper.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand
der Zeichnung, die schematisch Ausführungsbeispiele darstellt,
näher beschrieben.
Dabei zeigen
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1 eine
Seitensicht des erfindungsgemäßen Pendelschlagwerks
in der Ruhelage,
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2 eine
Schrägansicht
des Pendelschlagwerks in einer möglichen
Ausgangslage zur Durchführung
einer Prüfkörperbelastung,
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3 und 4 Details
der Prüfkörperanordnung
und von Pendelendstücken
zur Durchführung
von Biegebelastungen,
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5 eine
Variante einer Prüfkörperanordnung
zur Durchführung
von Druckbelastungen.
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6 und 6a eine
Variante einer Prüfkörperanordnung
zur Durchführung
von Zugbelastungen,
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7 eine
Zusatzeinrichtung zur Durchführung
von statischen Belastungen,
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8 eine
Möglichkeit
der Anordnung eines Prüfkörpers und
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9 und 10 Ansichten
eines Pendelschlagwerkes mit einer Schutzvorrichtung.
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Die
Zeichnungsfiguren zeigen schematisch Ansichten und Details eines
Pendelschlagwerks zur Werkstoffprüfung und zur nachfolgenden
Ermittlung von mechanischen Werkstoffdaten. Das dargestellte Pendelschlagwerk
weist eine Grundplatte 1 und einen aus zwei seitlichen,
im Wesentlichen übereinstimmend
ausgeführten
Rahmenteilen 2a bestehenden Rahmen 2 auf. An V-förmig zusammen
laufenden Streben der Rahmenteile 2a ist ein Gelenk 3 zur drehbaren
Lagerung von zwei Pendeln 4, 5 angeordnet, sodass
diese um die gleiche Achse drehbar sind. Seitlich des Gelenkes 3 sind
Gehäuse 11 für Bremsscheiben
bzw. – backen
angeordnet, welche die Pendelarme 4, 5 in der
gewählten
ausgelenkten Position halten und die Pendel 4, 5 auf
mechanische oder elektromagnetische Weise freigeben. Jedes Pendel 4, 5 besteht
aus einem Pendelarm 4a, 5a und einer an dessen
freien Ende befindlichen Pendelmasse, die hier als Endstück 4b, 5b bezeichnet
wird. Die beiden gleich lang ausgeführten Pendel 4, 5 sind
am Gelenk 3 derart gelagert, dass sie bei einer gegengleichen
Auslenkung, wie sie beispielsweise in 2 gezeigt
ist, sich unter der Wirkung der Schwerkraft in Richtung Grundplatte 1 aufeinander
zu bewegen und beim Erreichen der Senkrechten auf die Grundplatte 1 ihre
Endstücke 4b, 5b aufeinander
prallen. Der Prüfkörper 8 wird
an dem einen Pendel, bei der dargestellten Ausführung ist es das Pendel 4,
am Endstück 4b derart
angebracht, dass es vom Endstück 5b des
zweiten Pendels 5 entsprechend belastet bzw. getroffen
werden kann. Je nach Anordnung kann der Prüfkörper 8 auf Zug, Druck
oder Biegen belastet werden.
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3 und 4 zeigen
eine Ausführung
der beiden Endstücke 4b, 5b,
die eine Biegebelastung des Prüfkörpers 8 ermöglicht.
Der insbesondere in Streifenform vorbereitete Prüfkörper 8 wird an dem Endstück 4b oberhalb
einer Vertiefung 4c mit seinen äußeren Endabschnitten befestigt
bzw. eingespannt, beispielsweise durch nicht gezeigte Federbügel gehalten.
In seiner befestigten Position liegt die eine Seite des Prüfkörpers 8 frei
und kann vom Endstück 5b des
zweiten Pendels 5 beim Aufprall belastet werden. Das Endstück 5b trägt an seiner
mit dem Prüfkörper 8 in
Kontakt kommenden Seite ein in Form einer Finne oder dergleichen
ausgeführtes
Schlagelement 6.
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Das
Pendelschlagwerk ist mit Beschleunigungssensoren ausgerüstet, die
beispielsweise auf den Endstücken 4b, 5b angeordnet
sein können,
und vorzugsweise mit zumindest einem elektrischen Weg- oder Winkelgeber,
welcher vorzugsweise am Gelenk 3 angeordnet ist und die
Pendelstartposition sowie die Pendelwinkel zu verschiedenen Zeitpunkten
beim Ablauf der Prüfung
ermittelt. Piezo-Kraftsensoren und/oder Dehnmessstreifen, welche
beispielsweise auf den Einspannelementen für den Prüfkörper 8 oder am Schlagelement 6 des
Endstückes 5b positioniert
sein können,
ermöglichen
zusätzlich
die Ermittlung des Kraftverlaufes während der Belastung des Prüfkörpers 8.
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Die
Arme 4a, 5a der Pendel 4, 5,
sind höheren
dynamischen Belastungen ausgesetzt und werden daher bevorzugt aus
einem Kohlefaserverbundmaterial hergestellt oder enthalten ein derartiges
Material. Die Pendelarme 4a, 5a erhalten derart
ein geringes Gewicht und eine hohe Steifigkeit.
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An
das Pendelschlagwerk ist ein Rechner 10, welcher über ein
Programm Daten der Versuchsdurchführung bearbeitet und rechnerisch
zumindest eine Simulation pro Prüfung
durchführt,
angeschlossen. Der Rechner 10 kann im Rahmen 2 eingebaut sein.
Vor der Versuchsdurchführung
werden den Prüfkörper, insbesondere
sein Material, betreffende Daten eingegeben, zu welchen die Dimensionen
des Prüfkörpers, Gewicht,
Dichte, gegebenenfalls die Prüfbedingungen,
wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur, aber auch Daten über das
Pendelschlagwerk, wie die Massen der Pendeln 4, 5,
die Pendellängen,
die Auflagelänge
des Prüfkörpers 8 im
Endstück 4b etc. gehören. Gegebenenfalls
können
auch ein geschätzter
E-Modul sowie die erwartete Bruchdehnung eingegeben werden, wobei
vorgesehen ist, dass aus diesen Werten die voraussichtlich benötigte Energie für die Belastung
bis zum Bruch durch das Programm errechnet wird. Anhand der Energie
errechnet der Rechner die für
das voraussichtliche Durchschlagen des Prüfkörpers 8 erforderliche
Ausgangposition der Pendel. Je nach Prüfkörper 8 kann es von
Vorteil sein, an den Endstücken 4b, 5b verschieden
hohe Massen zu verwenden und vorzusehen, dass an den Pendelarmen 4a, 5a Endstücke 4b, 5b unterschiedlicher
Massen austauschbar befestigt werden können.
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Beim
Durchschlagen des Prüfkörpers 8 durch
das Schlagelement 6 beim Aufeinanderprallen der beiden
Endstücke 4b, 5b – dies entspricht
einem Aufeinanderprallen des Schlagelementes 6 auf dem Prüfkörper 8 – werden
an den Rechner 10 die zur Erstellung eines Beschleunigung-Zeit-Diagrammes
erforderlichen Messwerte übermittelt.
Nun wird automatisch eine rechnerische Simulation gestartet, wobei
ausgehend von Ausgangsdaten in Form einer Spannungs-Dehnungs-Kurve
der Belastungsvorgang durch eine Simulation virtuell berechnet wird und
schrittweise durch Änderung
dieser Ausgangsdaten eine Annäherung
der Ergebnisse der Simulation an die realen Messwerte erreicht werden
soll. Die rechnerische Simulation erfolgt derart, dass der Prüfkörper 8 in
eine Vielzahl von Teilen zerlegt wird, um die physikalischen Abläufe auf
numerischem Weg zu ermitteln. Die zu Grunde gelegte numerische Methode
ist bevorzugt die Methode der finiten Elemente, es eignen sich aber
auch andere Methoden, beispielsweise die Methode der finiten Differenzen
oder eine unterstützende
Anwendung von neuronalen Netzen. Zu den Ausgangsdaten, die herangezogen
werden, gehören
die eingegebenen, den Prüfkörper 8 betreffenden
Daten und/oder die eingegebenen, geschätzten Daten (Werte, wie E-Modul)
und/oder andere Daten (Werte, die bereits im Rechner zu vergleichbaren vorherigen
Berechnungen vorhanden sind). Die Ausgangsdaten bzw. Ausgangswerte
werden im Rahmen der Simulation solange variiert, bis die rechnerischen
Ergebnisse der Simulation den realen Messdaten des durchgeführten Versuches
ausreichend nahe liegen bzw. fast eine Übereinstimmung oder sogar eine Übereinstimmung
vorliegt. Das Ergebnis ist ein errechneter Spannungs-/Dehnungsverlauf,
der die mechanischen Eigenschaften des seriennah hergestellten Prüfkörpers 8 unter
der realitätsnah
durchgeführten
Biegebelastung sehr genau wiedergibt. Diese Daten sind die Basis
für die
Weiterentwicklung oder vergleichende Bewertung von Materialien bzw. dienen
wiederum als Eingangsparameter für
Simulationen von komplexen Bauteilen. Ein Beispiel dafür ist die
Berechnung eines Kopfaufpralles auf ein Armaturenbrett bei einem
Verkehrsunfall. Das Bauteil (Armaturenbrett) wird auf Biegung belastet
und kann mit Hilfe der Erfindung sehr genau optimiert werden, sodass
Schaden an Personen bei Unfällen
möglichst gering
gehalten werden können.
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Auf
analoge Weise erfolgen Eingabe und Auswertung von Daten, wenn ein
Prüfkörper mit
dem erfindungsgemäßen Pendelschlagwerk
auf Druck oder Zug belastet wird. 5 zeigt
ein Endstück 4'b mit einer
Befestigungseinrichtung für
einen hier nicht dargestellten Prüfkörper, welcher auf Druck belastet werden
kann. Der Prüfkörper wird
von zwei federbelasteten Bügeln 9 gehalten
und gegen eine Platte 10, auf welcher er aufliegt, gedrückt.
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6 und 6a zeigen
schematisch eine Anordnung für
eine Belastung eines Prüfkörpers 8' auf Zug. Der
hier in der Form eines Schulterstabes ausgeführte Prüfkörper 8' ist an seinem einen Ende an zwei
Befestigungsbacken 15 eingeklemmt, an seinem zweiten Ende
sind beidseitig Zugelemente 14 befestigt, beispielsweise
verschraubt oder angeklebt. Die beiden Zugelemente 14 stehen
hier in Form von Zapfen vom Prüfkörper 8' ab. Der derart
vorbereitete Prüfkörper 8' wird in eine
Halterung 16 eingesetzt, die am Endstück 4''b des
in 6 ansonsten nicht dargestellten Pendels befestigt
wird. Das Endstück 5''b des zweiten Pendels ist an seiner
der befestigten Halterung 16 zugewandten Stirnfläche mit
einer Öffnung 17 versehen,
die sich derart durch das Endstück 5''b erstreckt, dass die Halterung 16 mit
befestigtem Prüfkörper 8' soweit in die Öffnung 17 eindringen
kann, dass die Stirnfläche
des Endstückes 5''b seitlich der Öffnung 17 in Kontakt
mit den Zugelementen 14 treten kann. Zum Durchführen einer
Zugbeleistung werden beide Pendel ausgelenkt. Nach dem Lösen der
Bremseinrichtungen schwingen die beiden Pendeln aufeinander zu bis
ihre Endstücke 5''b und 4''b aufeinander
treffen. Dabei tritt die Halterung 16 in die Öffnung 17 ein,
die Stirnfläche
des Endstückes 5''b drückt auf die beiden Zugelemente 14 und
belastet den Prüfkörper 8' auf Zug.
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7 zeigt
eine zusätzliche
Möglichkeit
der Verwendung des erfindungsgemäßen Pendelschlagwerkes
zur statischen Belastung eines Prüfkörpers. Der in 7 nicht
gezeigte Prüfkörper kann
beispielsweise ein Block aus einem Schaumstoff sein, welcher zwischen
den einander zugewandten Stirnflächen
der Endstücke 4b, 5b eingeklemmt
bzw. zumindest an einem der beiden Endstücke 4b, 5b befestigt
wird. Nun werden die beiden Endstücke 4b, 5b in
eine Zugvorrichtung eingeklemmt, die beispielsweise zwei mittels
Spindelzugeinrichtungen 18 verbundene Haltebacken 19 aufweist. Über die
beiden Spindelzugeinrichtungen 18 kann der Prüfkörper langsam
auf Druck belastet werden.
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8 zeigt
eine besondere Ausführung
eines Prüfkörpers 8''. Das in Streifenform vorliegende zu
prüfende
Material 8''a wird mit einem
insbesondere gleich großen
streifenförmigen
Träger 20 verklebt. Der
Träger 20 besteht
aus einem relativ steifen und hinsichtlich seiner Eigenschaften
definierten Material, beispielsweise Aluminium, Stahl oder Carbon.
Je nach Belastungsrichtung wird der Prüfkörper 8'' im Biegelastfall
entweder kombiniert auf Biegung und Zug oder kombiniert auf Biegung
und Druck beansprucht. Bei Belastung in Richtung des Pfeils in 8 wird
beispielsweise der Prüfkörper 8'' zusätzlich auf Zug belastet, und
damit der eigentlichen Biegebelastung eine Zugbelastung überlagert.
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Das
erfindungsgemäße Pendelschlagwerk ist
als kompaktes und transportables Tischgerät ausführbar. Bereits mit Pendelarmlängen von
ca. 0,5 m wird eine Relativgeschwindigkeit von nahezu 9 m/s beim
Aufprall erreicht. Ein Einfachpendel oder ein Fallturm würden bei
einer vergleichbaren Belastung ein Vielfaches an Platz benötigen.
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9 und 10 zeigen
das Pendelschlagwerk mit einer Schutzvorrichtung. Diese besteht
aus am Rahmen 2 drehbar gelagerten Schutzplatten 12, die,
wie 9 zeigt, auseinander bewegt werden können, um
einen Zugang zu den Endstücken 4b, 5b der
Pendeln 4, 5 zu ermöglichen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Pendelschlagwerk
können
als Prüfkörper auch
kleine Bauteile oder Bauteilgruppen (miteinander verbundene Bauteile) belastet
werden.