-
Die
Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für ein Tribometer und ein Tribometer,
welche dafür geeignet
sind, große
Normalkräfte
aufzunehmen.
-
Beim
Betrieb von großen
Magnetspulen werden zwischen diesen Beabstandungselemente in Form
von in Gleitpfannen befindlichen Gleitstücken eingeführt, welche ein eventuelles
Verrutschen der Spulen gegeneinander ausgleichen sollen, ohne dass
es zu einem Zusammenbruch des Magnetfelds kommt. Bei diesen Beabstandungselementen
ist es wichtig, dass Gleitelemente einen geringen Reibewiderstand
aufweisen und so beispielsweise ein "stick and slip"-Effekt vermieden werden kann. So werden diese
Beabstandungselemente oftmals mit MoS2 beschichtet,
um verbesserte Eigenschaften zu erreichen.
-
Aufgrund
der Wichtigkeit dieser Beabstandungselemente müssen diese in ihrer Entwicklung und
in einer Testphase zahlreichen Beanspruchungstests unterzogen werden,
welche oftmals die extremen Bedingungen simulieren. Hier sind beispielsweise
hohe mechanische Druckkräfte
des Gleitstücks auf
die Gleitpfanne, thermische Beanspruchung von großer Erhitzung
und starkem Abkühlen
oder durch das Aufladen durch supraleitende Magnete zu nennen. So
wirken Vakuum und sehr kalte Umgebungen extrem schädlich auf
gleitende Systeme, da normale flüssige
Schmierstoffe nicht verwendet werden können und unter diesen Umweltbedingungen
nur wenige Materialien für
trockene Gleitsysteme vorhanden sind.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Testvorrichtung für die Gleitstücke und
Gleitpfannen zu schaffen, welche in der Umgebung von flüssigem Helium
operieren kann, welche einen großen Kraftauftrag auf die zu
untersuchenden Proben aufbringen kann
-
Die
Aufgabe wird durch eine Spannvorrichtung gemäß Anspruch 1 erfüllt.
-
Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch das Zusammenspiel
von Keil und Rollen die Druckplatte den Probenraum verengt, so dass
Proben, welche vorteilhafter Weise mit Hilfe eines Probenhalters
in diesem gehalten werden, mit hohem Druck aufeinander gepresst
werden können,
und durch eine im Wesentlichen senkrecht zum Druckauftrag ausgeführte Bewegung
eines Einsatzes des Probehalters die Reibungseigenschaften der Gleitelemente
unter nahezu realistischen Bedingungen getestet werden können.
-
Dies
gelingt unter anderem dadurch, dass die mit Hilfe der Spannvorrichtung
getesteten Proben mit Hilfe von Berechnungen hinunterskaliert werden können, so dass
ein Druckauftrag von 300 Kilonewton, vorzugsweise 150 Kilonewton
für Gleitstücke, welche
einem Zehnfachen dieser Belastung standhalten müssen, getestet werden können. Dabei
ist eine Gleitgeschwindigkeit der beiden Probenteile, Gleitstück und Gleitpfanne,
von 0,05 mm/s bis 2 mm/s, vorzugsweise 0,1 mm/s bei einem Gleitverschub
von 1,8 mm ± 0,8
mm erreichbar.
-
Die
Spannvorrichtung hat den Vorteil, dass sie in sehr kompakter Bauform
vorliegt, dass ein geringer Kältemittelverbrauch
zum Testen bei tiefen Temperaturen nötig ist und daher lange Versuchszeiten
möglich
sind und im Vergleich zum Stand der Technik vergleichsweise geringe
Kosten anfallen.
-
Die
Spannvorrichtung kann jedoch auch ohne den erfindungsgemäßen Probenhalter
verwendet werden. Dazu werden die Proben in den Probenraum eingebracht
und aufeinander gepresst.
-
Ein
erfindungsgemäßer Tribometer
weist eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung
auf und kann sich so die Vorteile der Spannvorrichtung zu eigen
machen Nachfolgend soll die Erfindung anhand verschiedener Figuren
genauer beschrieben werden. Es zeigen
-
1 eine
erfindungsgemäße Spannvorrichtung;
-
2 ein
erfindungsgemäßes Tiefkühltribometer;
-
3 eine
detaillierte Zeichnung der Spannvorrichtung des Kryostaten;
-
4 eine
erfindungsgemäße Spannvorrichtung
ohne Probe;
-
5 erfindungsgemäßen Keil
mit Rollen der Spannvorrichtung;
-
6a–c erfindungsgemäßen Probenhalter;
-
7 schematischer
Tribometer mit Sensorik und Steuerungselement.
-
Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung
im Querschnitt. Zu sehen ist die Spannvorrichtung 1 mit
einer ersten Seitenwand 2 und einer zweiten Seitenwand 2', welche aufgrund
einer weiteren Platte 4 in einem festen Abstand zueinander
angebracht sind. Die erste Seitenwand 2 und die zweite
Seitenwand 2' weisen
daher einen festen Abstand voneinander auf.
-
Weiterhin
ist eine Druckplatte 3 zu sehen, welche den Raum zwischen
der ersten Seitenwand 2 und der zweiten Seitenwand 2' in einen Spannraum 5 und
in einen Probenraum 6 unterteilt. Dabei befinden sich in
dem Spannraum 5 die Elemente, welche einen Druck auf die
Druckplatte 3 aufbringen, so dass die Proben beispielsweise
in dem Probenhalter 100 einem Druck ausgesetzt werden.
-
In 2 ist
die Spannvorrichtung 1 in einem Tribometer 7 gezeigt.
Außerhalb
des Kryostaten 8 befinden sich ein Antrieb 9,
welcher einem Motor 10, einem Linearantrieb 11 und
einem Exzenter 12 aufweist. Es können weitere Elemente vorhanden
sein oder ein direkter Druckkolben den Antrieb aus Motor, Linearantrieb
und Exzenter ersetzen. Der Hub des Antriebs 9 wird dabei
auf den Probenhalter 100 übertragen. Auf die genaue Wirkungsweise
wird in den nachfolgenden Figuren eingegangen. Weiterhin ist eine
Stellvorrichtung 13 zu sehen, über welche ein Druck auf die
Spannvorrichtung 1 aufgebracht werden kann, so dass die
Proben unter hohen Druck aufeinander gepresst werden können. Der
Kryostat 8 ist dabei mit flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium gefüllt. Selbstre dend
sind auch andere im flüssigen Zustand
vorliegende Gase möglich.
-
In 3 ist
die Spannvorrichtung 1 in Verbindung mit dem Antrieb 9 außerhalb
eines Kryostaten zu sehen. Dabei sind die Antriebselemente außerhalb
des Kryostaten, die Spannvorrichtung innerhalb des Kryostaten. Die
Abdeckscheibe 14 dient dazu die Spannvorrichtung in den
Kryostaten einzubringen und gleichzeitig von außen die Parameter des Experiments
zumindest in Teilen ändern
zu können.
So kann beispielsweise mit Hilfe der Stellvorrichtung während des
Experiments der Druck geändert
werden oder mit Hilfe der Antriebseinheit die Geschwindigkeit, mit
welcher die Proben aneinander entlang reihen bzw. der Hub, mit welchem
die Proben zueinander versetzt werden, verändert werden.
-
In 4 ist
die Spannvorrichtung ohne Probenhalter dargestellt. Eine zweiteilige
Probe könnte hier
beispielsweise direkt in den Probenraum eingeklemmt werden. Hierbei
sind die erste Seitenwand 2 und die zweite Seitenwand 2' deutlich zu
sehen, welche mit Hilfe der weiteren Platten 4 und 4' in festem Abstand
und parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin ist die bewegliche
Druckplatte 3 zu sehen. Im Spannraum 5 zwischen
erster Seitenwand 2 und der Druckplatte 3 befinden
sich ein erster Keil 21 und ein zweiter Keil 22,
wobei beide Keile sich jeweils in eine Richtung verjüngen. So
befindet sich die Rolle 23 zwischen der ersten Seitenwand 2 und
dem Keil 21 und die zweite Rolle 23' zwischen der Druckplatte 3 und
dem Keil Analog gilt dasselbe für
den zweiten Keil und die dritte Rolle 24 und die verdeckte
vierte Rolle.
-
An
der ersten Seitenwand 2 sind zwei Walzenbleche 25 und 25' angebracht,
welche in Verbindung mit den Walzenblechen 26 und 26' jeweils die erste
Rolle 23 und die nicht sichtbare vierte Rolle in Position
halten, damit diese nicht aus dem Zwischenraum zwischen Seitenwand
bzw. Druckwand und Keil hinausgedrückt werden. Analog sind für die zweite Rolle 23' und die dritte
Rolle 24 zwei weitere Walzenbleche 25'' und 25''' angeordnet.
-
Dabei
werden jeweils zwei Walzenbleche 25 und 25'' bzw. 25' und 25''' mit Hilfe von
Federelemente 27, 27'', 27''' verbunden,
so dass die Druckplatte 3 bei nachlassendem Druck aufgrund
der Anordnung der Keile 21, 22 und der damit in
Verbindung stehenden Rollen 23, 23' bzw. 24, 24' in eine Ruhelage
zurückgezogen
werden kann. Der zweite Keil 22 steht mit einem Spannrohr 28 in
Verbindung, wobei innerhalb des Spannrohres 28 eine Spannstange 29 verläuft, welche
mit dem ersten Keil 21 verbunden ist.
-
In 5 wird
eine Seitenansicht auf den ersten Keil 21 und die zwei
daneben liegenden Rollen 23 und 23' gezeigt. Es ist deutlich zu sehen,
dass der erste Keil sich nach oben hin verjüngt. Hierbei ist unter einem
Keil auch das in 5 gezeigte Element zu verstehen,
das heißt
der Keil muss nach vorne nicht spitz zulaufen, sondern kann in Trapezform
gehalten sein. Das Trapez kann dabei unregelmäßig sein.
-
Anhand
der 5 soll die Wirkungsweise der Spannvorrichtung
beschrieben werden. Bei einer Bewegung des Keils 21 in
der eingezeichneten Richtung R wird dieser nach oben gezogen, so
dass die beiden Rollen 23 und 23' weiter voneinander beabstandet
werden aufgrund der unten hinzunehmenden Dicke des Keils. Da die
erste Rolle gleichzeitig auf die erste Seitenwand 2, und
die zweite Rolle gleichzeitig auf die Druckplatte 3 drückt, wird
die Druckplatte 3 von der ersten Seitenwand 2 wegbewegt
und dementsprechend der Probenraum 6 verkleinert. Ein in dem
Probenraum eingebrachter Probenhalter 100, bzw. die darin
enthaltenen Proben, erfahren so einen Druck zwischen der Druckplatte 3 und
der zweiten Seitenwand 2' einen
Druck.
-
Bei
der in 4 gezeigten Variante der Erfindung bewegen sich
der erste Keil 21 und der zweite Keil 22 aufeinander
zu und lösen
somit eine Druckerhöhung
aus. Eine entgegengesetzte Bewegung vermindert den Druck innerhalb
des Probenraums. Das Vorhandensein einer Keilanordung wie in 5 gezeigt,
d. h. mit nur einem Keil, erzeugt bereits einen hohen Druck auf
die Druckplatte. In 4 verjüngen sich der erste Keil 21 und
der zweite Keil 22 in entgegengesetzten Richtungen. Die
Spannstange kann zur Erhöhung
des Drucks die beiden Keile aneinander oder aufeinander pressen,
je nach Richtung der Verjüngungen.
Bei einer Verjüngung
in gleichen Richtungen müssen
beide Keile in dieselbe Richtung bewegt werden.
-
In
den 6a–c
wird der Aufbau eines erfindungsgemäßen Probenhalters 100 gezeigt.
Der Probenhalter weist eine Probenzange 101 auf, welche eine
erste Zangenwand 102 und eine zweite Zangenwand 102' aufweist, welche über eine
Verbindungsplatte 103 in einem festen Abstand zueinander
gehalten werden. Weiterhin ist ein Einsatz 104 vorhanden, welcher
mit einem Stößel 105 verbunden
ist. Der Stößel 105 läuft innerhalb
einem Stößelrohr 106,
wobei das Stößelrohr
mit der Abdeckscheibe 14 (siehe 3) verbunden
wird. Der Stößel 105 steht
mit dem Antrieb 9 in Ver bindung, so dass der Einsatz 104 relativ
zur Probenzange 101 vertikale Bewegungen ausführen kann.
Des Weiteren ist ein Wegaufnehmer 1030 vorhanden, welcher
den Einsatz 104 mit der Verbindungsplatte 103 federnd
verbindet.
-
In
der 6b ist der Probenhalter ohne den Einsatz 104 dargestellt,
zudem ist die erste Zangenwand 102 nur schematisch eingezeichnet.
Sowohl in der ersten Zangenwand 102 als auch in der zweiten Zangenwand 102' befindet sich
jeweils ein Loch 107 bzw. 107', in welchem ein Probenhalter 108 bzw. 108' eingebracht
wird. Des Weiteren ist eine Gleitlagerbuchse 109 vorhanden
ist, in welcher der Stößel mit Spiel
gelagert ist, so dass dieser parallel zur Achse des Probenhalters
bewegbar ist. In dem Probenhalter 108' ist eine Probe 200 angeordnet.
-
In
der 6c ist der Einsatz 104 in Verbindung
mit dem Stößel 105 gezeigt.
Die Verbindung wird mit Hilfe einer Sechskantmutter 110 als
auch einer Unterlegscheibe 111 und einer Zahnscheibe 112 hergestellt.
Der Einsatz weist eine Deckplatte 120 auf, unterhalb welcher
zwei Seitenplatten 121 und 121' eingebracht sind, wobei die Seitenplatten
jeweils einen Rahmen 122 bzw. auf der nicht sichtbaren
der Seitenplatte 121 einen Rahmen 122' aufweisen,
in welchem ebenfalls eine Probe angeordnet ist. Der Rahmen 121 kann
auch so eingebracht werden, dass dieser nicht aus der Seitenplatte
hervorsteht, sondern in diese eingelassen ist. Des Weiteren kann die
Probe 201 fest und einstückig sowohl mit dem Rahmen
als auch mit der Seitenplatte ausgeführt sein. Als Material kommt
hier beispielsweise Aluminium oder Bronze oder eine Legierung der
beiden, oder Edelstahl in Frage. Die Seitenplatten werden dabei
mit Schrauben 113 bzw. 114 an der Deckplatte 120 bzw.
miteinander befestigt.
-
An
dieser Stelle soll nochmals auf 6a verwiesen
werden, anhand derer die Funktionsweise in Zusammenwirkung mit der
Spannvorrichtung aus den 4 erklärt werden.
-
Wie
in 6a zu sehen ist, steht der Probenhalter 108 leicht über den
Rand der ersten Zangenwand 102 hinaus. Analog dazu ist
die Situation an der Zangenwand 102'. Wird dieser Probenhalter 108,
wie in 1 gezeigt, in den Probenraum der Spannvorrichtung
eingelassen und wird, wie in den vorherigen Abschnitten beschrieben,
auf die Druckplatte mittels der Keile und Rollen ein Druck ausgeübt, so drückt die
Druckplatte auf den überstehenden
Probenhalter 108. Die in dem Probenhalter 108 angeordnete
Probe drückt
auf die im Einsatz im Rahmen 122 angeordnete Probe 201,
welche wiederum auf den Einsatz drückt, dieser wiederum auf im
gegenüberliegenden Rahmen
liegende Probe, welche wiederum die im Probenhalter 108' befindliche
Probe drückt
und den Probenhalter 108' gegen
die zweite Seitenwand der Spannvorrichtung drückt. Auf diese Weise wird zwischen
den im Probenhalter und im Einsatz befindlichen Proben ein hoher
Anpressdruck zwischen Druckplatte 3 und der zweiten Seitenwand 2' aufgebaut.
Nachdem der gewünschte
Druck auf die Proben hergestellt worden ist, wird mit Hilfe des
Antriebs und dem Stößel der
Einsatz vertikal auf und ab bewegt, so dass die auf dem Einsatz
befindlichen Proben entlang der in Probenhaltern 108 bzw. 108' befindlichen
Proben entlang gleiten bzw. vice versa. Auf diese Weise können die
Reibungskoeffizienten verschiedener Gleitstücke bzw. Gleitpfannen und deren Gleitverhalten
ermittelt werden.
-
Hierzu
bieten sich insbesondere Proben an, welche mit MoS2 in
physikalischen Abscheideverfahren beschichtet worden sind, gegen
beispeilsweise Aluminiumbronzeproben oder Edelstahlproben.
-
In 7 ist
nochmals eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Tribometers 7 gezeigt.
Hierbei sind zusätzlich
eine Steuereinheit 140 und ein Wegsensor 141 eingebracht,
wobei der Wegsensor 141 sowohl die Hubbewegung des Einsatzes
des Probenhalters messen kann als auch den Versatz der Stellstange
der Spannvorrichtung 1 messen kann. Ebenfalls kann die
Steuereinheit 140 sowohl die Hubbewegung als auch die durch
die Stellstange 21 der Spannvorrichtung aufgebrachte Kraft regeln
und einstellen. In der hier gezeigten Variante können die im Einsatz befestigten
Proben gegenüber den
in den Probenhaltern befestigten Proben (wobei die Proben auch lose
innerhalb der Probenhalter bzw. Rahmen des Einsatzes liegen können) um ± 2,5 mm
verschoben werden. Auch ein Versatz um bis zu ± 5 mm ist denkbar. Die Spannvorrichtung
presst die Proben mit einer Kraft von bis zu 150 Kilonewton aufeinander,
wobei hier auch größere Kräfte möglich sind,
vorzugsweise bis zu 300 Kilonewton. Auf diese Weise können Reibkräfte über 50 Kilonewton
erzeugt werden. Sowohl die Normalkraft als auch die Reibkraft werden
dabei von der Steuereinheit registriert. Die Reibgeschwindigkeit
beträgt
dabei vorzugsweise 0,01 m/sek. Es werden bis zu 4000 Hubbewegungen, d.
h. Zyklen des der Proben gemessen. Gleichzeitig werden im Kryostat 8 über mehrere
Thermoelemente die Temperatur gemessen.
-
Die
Probenhalter bzw. Rahmen können Gleitstücke mit
Durchmessern von 10 mm bis 100 mm, vorzugsweise 20 mm bis 70 mm,
besonders vorzugsweise 20 bis 30 mm auf nehmen. Die Dicke der Pads
beträgt
dabei zwischen 2 und 15 mm. Vorzugsweise ist die Dicke zwischen
4 und 7 mm, besonders vorzugsweise zwischen 5 mm und 6 mm. Der Krümmungsradius
beträgt
350 mm ± 100
mm.
-
Die
in den Figuren gezeigte Spannvorrichtung ist zwischen erster und
zweiter Seitenwand 200 mm lang, und jeweils 80 mm hoch und 90 mm
breit. Die Proben weisen einen Durchmesser von ca. 25 mm auf. Die
Außenmaße können variiert
werden, wobei sich die Ausmaße
entlang der Größen der
Proben orientieren, d. h. um einen Faktor 3 kleiner und um einen
Faktor 4 größer sein
können.
Dabei können
Höhe, Tiefe
und Breite innerhalb dieser Skalierungen unabhängig voneinander variiert werden.
-
Für die Messung
ist es wichtig, die an den Gleitstücken zu erwartende Belastung
zu kennen. Diese kann entweder nach unten oder oben skaliert werden,
wenn die Nennwerte der Proben nicht mit der Spanvorrichtung erreicht
werden.