DE102013220392B4

DE102013220392B4 - Materialprüfmaschine mit über eine Spindelmutter ortsfest gelagertem Spindelantrieb und Verfahren zur Einleitung einer Prüfkraft auf eine Probe

Info

Publication number: DE102013220392B4
Application number: DE102013220392.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Ruchti
Original assignee: MESSPHYSIK MATERIALS TESTING GmbH
Current assignee: ZWICKROELL TESTING SYSTEMS GMBH, AT
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: DE102013220392A1

Abstract

Materialprüfmaschine (1), die einen Lastrahmen (3) mit einer Fahrtraverse (9) als Prüfkraftübertragungsmittel hat, mit einem Antrieb (21, 21'), der zur Verstellung des Prüfkraftübertragungsmittels mit diesem in Wirkverbindung steht, wobei der Antrieb (21, 21') ein elektromechanischer Linearantrieb mit einer Antriebsquelle (23) ist, durch den über eine Bewegung einer Spindel (37) das Prüfkraftübertragungsmittel verlagerbar ist, und wobei der Spindel (37) ein Lager (41) zugeordnet ist, das sich ortsfest an einem Teil des Lastrahmens (3) der Materialprüfmaschine (1) abstützend zur Bildung eines Bezugspunkts für das Prüfkraftübertragungsmittel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (21, 21') inklusive der Spindel (37) fluchtend zu einer Prüfachse (35) angeordnet ist, dessen Antriebsquelle (23) unabhängig von einer Stellung des Prüfkraftübertragungsmittels im Lastrahmen (3) einen gleichbleibenden Abstand (33) zu dem Prüfkraftübertragungsmittel beibehält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialprüfmaschine, die einen Antrieb aufweist, der eine Linearbewegung mit einer Fahrtraverse zusammen ausführt und eine ortsfeste Lagerung in Form einer Spindelmutter umfasst. Die ortsfeste Lagerung stützt sich dabei an einem Rahmenteil der Materialprüfmaschine ab. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Materialprüfmaschine. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialprüfmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Betriebsweise einer solchen Materialprüfmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 33.
Technisches Gebiet
Zur Materialprüfung werden an einem Werkstoff eine Reihe unterschiedlicher Belastungstests durchgeführt, d. h. unterschiedlichste Belastungen auf eine Materialprobe aufgebracht. Eine bestimmte Gruppe von Belastungstests lässt sich unter dem Namen „Wöhlerversuche” zusammenfassen. Diese Tests sind auch als Versuche zur Ermittlung einer „Wöhlerkurve” bekannt und dienen zur Ermittlung des mechanischen Verhaltens von Werkstoffen und Bauteilen bei dauernder oder häufig wiederholter, schwellender oder wechselnder Beanspruchung. Zahlreiche Begriffe und Arten von Versuchen zur Ermittlung des Verhaltens von Werkstoffen bei dauernden Beanspruchungen sind in der DIN 50100 normiert. Für die dort normierten Begriffe und deren Bedeutung sowie einige Zusammenhänge zu der Wöhlerkurve darf auf die Norm referenziert werden, die durch ihre Referenzierung als vollinhaltlich in vorliegender Beschreibung aufgenommen gilt.
Die Arten der Festigkeiten einer Materialprobe eines Werkstoffes können in verschiedenen Bereichen unterteilt werden, z. B. in den Bereich der Kurzzeitfestigkeit, in den Bereich der Zeitfestigkeit und in den Bereich der Dauerfestigkeit. Zum Testen der Dauerfestigkeit werden i. d. R. kleine Belastungen über mehrere Millionen Schwingungszyklen getestet. Als eine Faustformel gilt, dass im Bereich der Zeitfestigkeit die Zahl der versagenden Werkstoffe in einer polynomartigen Funktion anwächst. Dies lässt sich z. B. daraus ableiten, dass sich bei einer doppellogarithmischen Auftragung der mechanischen Spannung über der Anzahl der versagenden Prüfstücke in dem Bereich der Zeitfestigkeit eine Gerade ergibt. Bei der sogenannten Kurzzeitfestigkeit (auch engl. als „low-cycle-fatigue” bezeichnet) werden größere Spannungen, die plastische Verformungen des zu prüfenden Werkstoffes hervorrufen sollten, getestet. Im Laufe von Versuchen zur Ermittlung einer Kurzzeitfestigkeit sind in der Regel nur mehrere Tausend Belastungszyklen erreichbar, bevor der zu prüfende Werkstoff versagt.
Die bei einem Belastungstest zur Ermittlung der Kurzzeitfestigkeit auftretenden Spannungen stellen hohe Anforderungen an die mechanische Stabilität der Prüfkraftmaschine und ihren Antrieb. Die Prüfkraftmaschine läuft Gefahr, bei den Belastungstests selbst in Mitleidenschaft gezogen zu werden.
Für die Durchführung der eingangs genannten Materialprüfversuche gibt es daher zahlreiche unterschiedliche Prüfmaschinentypen. Eine gängige Materialprüfmaschine ist eine Prüfkraftmaschine, die u. a. einen Rahmen, eine Standtraverse und eine Fahrtraverse aufweist. Solche Lastrahmenprüfmaschinen sind seit langer Zeit bekannt und zeichnen sich durch zahlreiche Vorteile aus, z. B. sorgt der Rahmen für eine gewisse Verwindungssteifigkeit. Über die Fahrtraverse wird in diesen Prüfkraftmaschinen eine Prüfkraft auf ein Werkstück übertragen. Hierbei sind unterschiedliche Arten von Antrieben möglich. Es kann z. B. zwischen hydraulischen Antrieben und elektromechanischen Antrieben der Fahrtraverse unterschieden werden.
Viele weitere Normen beschäftigen sich mit der Beschaffenheit von geeigneten Prüfmaschinen. Die Norm DIN EN ISO 7500-1 legt beispielsweise fest, wie eine einachsige Prüfmaschine regelmäßig inspiziert und kalibriert werden sollte. Bedingt durch die Auflösung des Messergebnisses werden verschiedene Genauigkeitsklassen in der DIN EN ISO 7500-1 festgelegt. Die Checklisten nach NADCAP AC 7101/3 und ASTM E 292 stellen unter anderem Anforderungen an die Ausrichtung von Prüfmaschinen, insbesondere von Probenhaltern in Prüfmaschinen. Beispielsweise fordert die Norm ASTM E 292, Exzentrizitäten in der Testmaschine so weit wie möglich zu vermeiden. Auch wird festgelegt, wie die Materialprobe vorzubereiten ist. Anforderungen an metallische Materialien lassen sich u. a. auch der ISO 23788:2012 entnehmen.
Jede neu zu entwickelnde Materialprüfmaschine ist anhand der Normen, von denen zuvor einige beispielhaft genannt sind, zu bewerten. Für zahlreiche, gängige Begriffe darf auf die Normen verwiesen werden, um die Begriffe nicht erneut vollumfassend an dieser Stelle definieren zu müssen, sofern sich nicht aus den nachfolgenden Erläuterungen Abweichungen zu den Normen ergeben.
Verallgemeinernd kann behauptet werden, dass viele Materialprüfmaschinen durch unterschiedlichste Konzepte versuchen, den Forderungen und Bedingungen aus den Normen gerecht zu werden. Leider bewirken viele Konzepte inhärente Messungenauigkeiten, mit denen entsprechende Materialprüfmaschinen leben müssen.
Stand der Technik
Die Druckschrift US 5 948 994 A (Erfinder: Ming-Hwa R. Jen et al.; Anmeldetag: 02. April 1998) zeigt eine multifunktionale Prüfmaschine mit einem Traversensystem. Um einen Spannungstest durchzuführen, wird ein Linearzylinder durch Zuleitung eines Hydraulikmittels in eine von zwei Kammern entweder auf- oder abbewegt. Eine Halterung für ein Werkstück ist über eine Aktuatorstange mit dem Zylinder verbunden und wird durch diesen angetrieben. Hydraulische Systeme haben in der Regel Hysteresen. Eine weitere Schwierigkeit, die bedacht werden muss, sind Leckagen für das Hydraulikmittel.
Neben reinen hydraulischen Antrieben von Prüfmaschinen sind auch mechanische Antriebe bekannt. Zur Übertragung der Bewegung können langgestreckte mechanische Elemente verwendet werden, so sind beispielsweise Spindelantriebe oder Zahnstangenantriebe üblich.
Ein Beispiel für einen mechanischen Antrieb bietet die Druckschrift DE 600 03 744 T2 (Inhaberin: Testing Machines, Inc.; Prioritätstag: 08. April 1999). In der DE 600 03 744 T2 wird ein mit einer Basis starr verbundener Motor beschrieben, der eine verstellbare Verstellschraubenspindel antreibt. Ein bewegbarer Arm ist in Antwort auf eine durch den Motor erzeugte Rotation der Spindel parallel zu der Spindel bewegbar. In dem bewegbaren Arm befindet sich eine Mutter, die im Gewindeeingriff mit der Spindel steht. D. h., die Mutter bewegt sich mit dem Arm in axialer Richtung mit.
In der DE 2 239 554 A (Anmelderin: Zwick & Co KG; Anmeldetag: 11. August 1972) wird eine Universalprüfmaschine gezeigt, bei der eine Traverse mit mindestens zwei Spindeln verstellbar ist. Ein Spindelgewinde läuft in einer Spindelmutter, die fest in der verstellbaren Traverse eingesetzt ist.
Die DE 33 42 081 C1 (Inhaberin: UTS Testsysteme Vertriebsgesellschaft mbH; Anmeldetag: 22. November 1983) beschreibt zwei Antriebsspindeln, die innerhalb eines Rahmens laufen, zu dem wiederum Quertraversen gehören. Die Quertraversen können jeweils als Stand- oder Fahrtraverse genutzt werden. Dies soll dadurch ermöglicht werden, dass Spindelmuttern, die in der Traverse drehbar gelagert sind, je nach Verwendung der Traverse als Standtraverse oder als Fahrtraverse sich entweder mit der Spindel mitdrehen oder in Bezug auf die Traverse festgelegt sind.
Einen anderen Weg zeigt die DE 10 2009 036 248 A (Anmelderin: Zwick GmbH & Co KG; Anmeldetag: 05. August 2009), nach der eine Prüfkraft über ein Ritzel und eine mit Zähnen versehene Zahnstange erfolgt.
Die JP 62 203 043 A (Anmelderin: Shimadzu Corp.; Anmeldetag: 01.03.1986) zeigt einen Materialtester mit beweglichen Teilen, über die eine Traverse in einem Mittenbereich von zwei Maschinenträgern angebracht sein soll. Das in der JP 62 203 043 A vorgestellte Antriebskonzept beruht allerdings auf Linearmotoren an beiden Seiten der Traverse, also an beiden Maschinenträgern. Ein unterer Materialprobenhalter ist fest auf einem Tisch montiert. Ein oberer Materialprobenhalter ist über eine Messzelle an der Traverse befestigt.
In der US 2010/0 229 652 A1 (Erfinder: Ben Jeppesen et al.; Prioritäten: 21.08.2006 und 15.09.2006) wird eine Prüfmaschine mit einem sogenannten steifen Aufbau beschrieben. Bei dem gemäß 1 eine Traverse, welche die Antriebseinheit eines Aktuators hält, von einem Rahmenelement absteht, sodass die Traverse, mit den zugeordneten Probenhaltern C-förmig über einem Unterbau angeordnet ist. Das Antriebskonzept nach der US 2010/0 229 652 A1 beruht auf einem durch einen linearen elektrischen Motor antreibbaren Kolben.
Ein in der JP 2002-107 278 A (Anmelderin: Shimadzu Corp.; Anmeldetag: 29.09.2000) beschriebenes Materialprüfgerät ist für mit kleinen Lasten durchzuführende Tests auf Materialermüdung konzipiert. Ein Probentisch ist mit einem Linearmotor ausgestattet, um die kleine Last alternierend zu generieren. Mit Hilfe eines Motors ist ein beweglicher Körper, der den Probentisch trägt, auf einer Spindel positionierbar, um eine Grundlast an die Probe anzulegen. Die Probe wird parallel neben der Spindel eingespannt.
Obwohl einige der zuvor dargestellten Antriebskonzepte für Materialprüfmaschinen, insbesondere des Universalprüfmaschinentyps, recht gut sind, sind bei den Aufbauten der Materialprüfmaschinen gewisse Fehler zu beobachten, die aus dem Antriebssystem herrühren.
Aufgabenstellung
Die vorliegende Erfindung widmet sich daher der Schwierigkeit, eine Materialprüfmaschine, insbesondere des Typs Universalprüfmaschine, die eine möglichst gute Genauigkeitsklasse gemäß den oben aufgeführten Normen hat, aufzubauen. Besonders vorteilhaft wäre es, wenn die Materialprüfmaschine insbesondere im Bereich der Kurzzeitfestigkeitstests stabil und möglichst verschleißarm ist. Es wäre wünschenswert, wenn, insbesondere Messfehler hervorrufende, Verformungen möglichst weit vermieden werden können, die durch eine Prüfkraft an der Materialprüfmaschine selbst verursacht werden, ohne die gesamte Materialprüfmaschine über Gebühr massiv auslegen zu müssen, d. h. im Ergebnis eigentlich überzudimensionieren.
Erfindungsbeschreibung
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Materialprüfmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Ein vorteilhaftes Betriebsverfahren lässt sich dem Anspruch 33 entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Die erfindungsgemäße Materialprüfmaschine, damit sie möglichst universell einsetzbar ist, sollte einen Lastrahmen haben. Der Lastrahmen trägt den Aufbau der Materialprüfmaschine. Der Lastrahmen weist bewegliche und statisch angeordnete Teile und Komponenten auf.
Zu dem Lastrahmen kann ein Prüfkraftübertragungsmittel hinzugerechnet werden. Das Prüfkraftübertragungsmittel ist dafür bestimmt, eine Prüfkraft auf ein zu prüfendes Werkstück zu übertragen. Die Prüfkraft ist auf eine zu prüfende Materialprobe über das Prüfkraftübertragungsmittel, insbesondere zwischen beweglichen und statischen Teilen des Lastrahmens, vermittelbar. Vorzugsweise ist das Prüfkraftübertragungsmittel eine Fahrtraverse. Die Fahrtraverse lässt sich den beweglichen Teilen des Prüfkraftübertragungsmittels zuordnen.
Die beweglichen Teile erhalten ihre Bewegungsenergie aus einem Antrieb, sie sind mittels Antrieb steuerbar und antreibbar. Mit anderen Worten, der Antrieb steht mit dem Prüfkraftübertragungsmittel in einer Wirkverbindung. Es kann auch gesagt werden, der Antrieb wirkt auf das Prüfkraftübertragungsmittel ein. Der Antrieb stellt dem Prüfkraftübertragungsmittel u. a. die Kraft für die Prüfung der Materialprobe zur Verfügung. Über den Antrieb ist das Prüfkraftübertragungsmittel verstellbar. Im Ergebnis bewirkt der Antrieb durch seine Bewegung eine Positionsänderung des Prüfkraftübertragungsmittels bezüglich der statischen Teile des Lastrahmens.
Der Antrieb hat eine Antriebsquelle. Die Antriebsquelle wandelt Energie, insbesondere elektrische Energie, in Bewegungsenergie um. Die Antriebsquelle kann beispielsweise ein Motor, wie z. B. ein Schritt- oder ein Servomotor, sein.
Der Antrieb ist als ein elektromechanischer Linearantrieb ausgestaltet. Das heißt, der Antrieb setzt elektrische Energie in eine translatorische Bewegung um. Über diese translatorische Bewegung wird dann wiederum eine Prüfkraft aufgebracht. Hierbei kann als Zwischenschritt zunächst eine rotatorische Bewegung durch den Motor selbst realisiert werden, die durch weitere Mittel, wie z. B. eine Spindel, in translatorische Bewegung umgesetzt wird.
In einem solchen Fall, bewegt die Antriebsquelle eine Spindel. Die Spindel hat vorzugsweise ein Gewinde. Die Spindel wandelt eine Drehbewegung der Antriebsquelle in eine Linearbewegung um. Die Bewegung der Spindel sorgt dafür, dass das Prüfkraftübertragungsmittel verschoben wird.
Der Spindel ist wenigstens ein Lager zugeordnet. Das Lager kann als Loslager charakterisiert werden. Die Spindel ist also in dem wenigstens einen Lager geführt. Das Lager stützt sich wiederum ortsfest an einem Teil des Lastrahmens der Materialprüfmaschine ab. Das Lager kann fest mit einem statischen Teil des Lastrahmens verbunden sein. Das Lager bleibt, in Bezug auf die nicht beweglichen Teile des Lastrahmens, an seinem Ort. Das Lager bildet also, genauso wie statisch verharrende Teile des Lastrahmens, einen Referenzpunkt für das Prüfkraftübertragungsmittel. Bei dieser Betrachtung kann das Lager als Ursprung eines Koordinatensystems für eine Position des Prüfkraftübertragungsmittels gewählt werden.
Die Antriebsquelle hält während eines Prüfvorgangs den Abstand zu dem Prüfkraftübertragungsmittel. Die Antriebsquelle folgt also den Bewegungen des Prüfkraftübertragungsmittels. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind der Antrieb und das Prüfkraftübertragungsmittel nur gemeinsam bewegbar. In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind der Antrieb und das Prüfkraftübertragungsmittel nur mit der gleichen Geschwindigkeit bewegbar.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann – durch die Gestaltung der unmittelbaren Wirkverbindung Prüfkraftübertragungsmittel zu Antrieb – die Materialprüfmaschine steif, im Vergleich mit anderen bekannten Materialprüfmaschinen sehr steif bzw. steifer, ausgeführt werden. Dies lässt sich u. a. darauf zurückführen, dass über den Lastrahmen keine Kräfte umgelenkt werden müssen. Mit anderen Worten, der Lastrahmen ist kraftumlenkungsfrei ausgestaltet.
Die Beziehung zwischen Antriebsquelle und Prüfkraftübertragungsmittel kann zum Beispiel durch ihren Abstand beschrieben werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand zwischen der Antriebsquelle und dem Prüfkraftübertragungsmittel die Länge der kürzesten Verbindungslinie der geometrischen Schwerpunkte der beiden Bauteile der Materialprüfmaschine. Der Abstand ist also die Länge der Strecke, die durch die beiden einander nächstliegenden Punkte der Antriebsquelle und des Prüfkraftübertragungsmittels begrenzt wird (wobei die Bauteile Antriebsquelle und Prüfkraftübertragungsmittel als punktuell kumuliert, z. B. durch rechnerische oder ermittelte Schwerpunktbildung oder sonst wie geeignete punktuelle Zusammenziehungen, angesehen werden können). Bei dieser Betrachtung des Abstands sind Verformungen der Materialprüfmaschine, insbesondere Stauchungen und Dehnungen der Spindel, die z. B. durch die Prüfkraft oder durch thermische Schwankungen der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden, – in einer idealisierten Betrachtung – zu vernachlässigen. Durch den (generell betrachteten) gleichbleibenden Abstand kann die Einheit, die den Antrieb bildet und bis zum Prüfkraftübertragungsmittel reicht, starr ausgeführt werden.
In einer anderen Betrachtungsweise kann auch gesagt werden, dass das Prüfkraftübertragungsmittel den Antrieb mitnimmt. Bei einer Kopplung zwischen Antrieb und Prüfkraftübertragungsmittel wirken sich Bewegungen des Prüfkraftübertragungsmittels auf die Position des Antriebs aus. In Bezug auf einen Punkt an dem Lastrahmen, der statisch ist, verändert sich der Relativbezug des Prüfkraftübertragungsmittels und des Antriebs gleichartig.
Der Antrieb und die Spindel verlaufen fluchtend. Beide Bauteile, Spindel und Antriebsmotor, können zu einer Prüfachse angeordnet sein. Das heißt, die von der Spindel definierte Achse und eine Achse, in der in die Materialprobe die Prüfkraft eingebracht wird, fallen zusammen. Beide Achsen bilden eine in ihrer Verlängerung einzige Gerade. Dadurch kann ein Wegmeßfehler in Übereinstimmung mit dem Abbéschen Komperationsprinzip vermieden werden. Wenn der gesamte Antrieb innerhalb des Raums, der von dem Lastrahmen umschlossen wird, angeordnet ist, kann der Antrieb komplett mit der Spindel fluchtend angeordnet werden.
Eine mit einem, wie zuvor beschriebenen, Antrieb ausgestattete Materialprüfmaschine hält – dem Prinzip nach – selbst den Belastungen der „Low-cycle-fatigue-Tests” über viele Tausend Betriebsstunden stand. Nur solche Teile, die als Verschleißteile gedacht sind, und (natürlich) Betriebsmittel wie Schmierstoffe sind auszutauschen bzw. zu ergänzen.
Mit einer Materialprüfmaschine lässt sich folgender Ablauf realisieren, um das Prüfkraftübertragungsmittel zu verstellen. Der Antrieb einschließlich der Spindel ist eine Einheit, die den Antrieb bildet. Der Antrieb folgt, z. B. durch eine feste Verbindung, die beispielsweise durch die Gewindespindel hergestellt sein kann, einer Bewegung des Prüfkraftübertragungsmittels. Währenddessen verbleibt das Lager, ohne seinen Ort zu verändern, an einem Teil des Lastrahmens der Prüfmaschine. In einer vorteilhaften Ausgestaltung stellt ein Servomotor die Antriebsquelle dar. So, wie das Prüfkraftübertragungsmittel, gebildet durch die Fahrtraverse, angehoben oder abgesenkt wird (in Bezug zu einer Standtraverse), hebt und senkt sich die Antriebsquelle, d. h., z. B. das Motorgehäuse mit seinem Motor im Inneren. Das Lager der Gewindespindel stellt den ortsfesten Bezugspunkt dar, der zugleich ein relativer Anschlagsbezugspunkt sein kann.
Alle Komponenten des Antriebs, wie die im Inneren des Antriebsgehäuses angeordneten Antriebsquelle und die Spindel, erstrecken sich entlang einer Achse. Die Materialprobe ist zentrisch zu der Achse einzuspannen. Die Achse ist also zugleich eine Prüfachse. Es kann auch gesagt werden, dass die Achse auf einer Mittellinie der Materialprüfmaschine verläuft.
Wird die Materialprüfmaschine aus frontaler Perspektive, d. h. mit Blick in den Prüfraum, es lässt sich der Blick auch als von seiner Breitseite aus beschreiben, während eines Betriebs beobachtet, so sind als bewegliche Teile sowohl das Prüfkraftübertragungsmittel wie auch die Antriebsquelle, z. B. der Servomotor, zu sehen. Bei genauerer Beobachtung ist zu sehen, dass die Gewindespindel an einer ortsfest angeordneten Mutter gelagert, insbesondere in dieser abdrehbar bzw. rotierend gelagert, angebracht ist. Die gesamte Antriebseinheit wird über die Mutter gehalten. Das fest angekoppelte Prüfkraftübertragungsmittel, gebildet durch die Fahrtraverse, ist gleitend im Rahmen der Materialprüfmaschine gelagert. In Abhängigkeit der Position des Prüfkraftübertragungsmittels hebt und senkt der Motor sich selbst an und ab.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dargelegt, die für sich gesehen, sowohl einzeln aus auch in Kombination, ebenfalls erfinderische Aspekte offenbaren können.
Entlang einer Haupterstreckungsrichtung der Spindel kann eine Achse definiert werden. Es ist von Vorteil, wenn die Spindel nur in Richtung dieser Achse beweglich ist. Eine Bewegung der Spindel erfolgt in Relation zu dem ortsfesten Lager. Die Spindel durchläuft das Lager. Ein Teil der Spindel ist, insbesondere stets, im Lager angeordnet. Die Spindel ist von dem Lager seitlich eingefasst, mit anderen Worten, in einem Bereich seitlich umschlossen. Das Lager bildet einen Fixpunkt. Die Spindel ist innerhalb des Lagers in zwei Richtungen, wie Richtung „Auf” und „Ab”, beweglich angeordnet.
Vorteilhafterweise ist die Spindel als länglicher, stangenartiger Gegenstand, vereinfacht gesprochen, als eine Stange, ausgestaltet, die eine von der Antriebsquelle stammende Kraft an das Prüfkraftübertragungsmittel überträgt. Folglich könnte die Spindel auch als Kraftübertragungsstange bezeichnet werden. Zu der Kraftübertragungsstange gehört das Lager.
Das Lager befindet sich nach einem vorteilhaften Aspekt in einem mittleren Bereich der Kraftübertragungsstange. Das Lager befestigt den Linearantrieb an den ortsfesten Bezugspunkt an dem Lastrahmen. Die Höhe der Kraftübertragungsstange, d. h., wie weit die Kraftübertragungsstange aus der Mutter oberhalb, z. B. im Nahbereich zu dem Prüfraum, herausschaut, ist vorteilhafterweise verstellbar. Weil das Prüfkraftübertragungsmittel der Materialprüfmaschine so jede beliebige Stellung in Bezug auf eine axiale Position entlang der mittleren Achse einnehmen kann, findet eine unmittelbare Umsetzung des Ortsbezugs des Linearantriebs auf die Stellung des Prüfkraftübertragungsmittels statt.
Einem Ende der Spindel kann die funktionale Bedeutung eines Schubendes zugedacht werden. Das Schubende steht vorteilhafterweise mit einem beweglichen Teil des Lastrahmens der Materialprüfmaschine in Verbindung. Das bewegliche Teil des Lastrahmens sollte auf Führungselementen, die an dem Lastrahmen ausgestaltet sein können, führbar angeordnet sein. Hierbei wird vereinfacht von Schubende gesprochen, obwohl insbesondere bei „Low-cycle-fatigue-Tests” wechselweise eine Belastung über einen Schub und über einen Zug auf die Materialprobe aufgebracht wird. Also das Ende der Spindel sowohl als Schubende als auch als Zugende genutzt werden kann.
Als Führungselemente eignen sich solche Elemente, die lineare Bewegungen erlauben, also Führungselemente, die einen Freiheitsgrad in einer linearen Erstreckung haben. Solche Führungselemente können z. B. Säulen oder Schienen sein. In manchen Anwendungsfällen können genauso Leisten verwendet werden, die aufgrund ihrer Oberfläche zur Rückführung der an ihnen beweglich angeordneten Teile dienen.
Wird die Wirkrichtung des Antriebs umgekehrt, insbesondere im Verlauf der Durchführung eines „Low-cycle-fatigue-Tests”, so kann von einem Umkehrbetrieb der Materialprüfmaschine gesprochen werden. Im Umkehrbetrieb wird also statt einer Schubkraft eine Zugkraft übertragen. Das eine Ende der Spindel ist so gestaltet, dass das Schubende der Spindel im Umkehrbetrieb als Zugende zur Verfügung steht.
Die Spindel kann in einer vorteilhaften Ausführungsform von einem Servomotor angetrieben werden. Der Servomotor sollte nicht nackt verbaut sein, sondern er sollte in einem Antriebsgehäuse angeordnet sein, also eingehaust sein. Die Gewindespindel kann anhand ihrer beiden Enden bezeichnet werden. Ein Ende kann als Abtriebsseite bezeichnet werden. Die andere Seite kann als Antriebsseite bezeichnet werden. Das Antriebsgehäuse des Motors befindet sich an der der Abtriebsseite der Gewindespindel entgegengesetzten Seite. Die Abtriebsseite kann auch mit dem Schubende zusammenfallen. Bevorzugt ist die Materialprüfmaschine nur mit einem einzigen Motor zum Antrieb des Prüfkraftübertragungsmittels aufgebaut. Der Servomotor stellt bevorzugt die einzige Antriebsquelle dar. In der Materialprüfmaschine wird die zur Verfügung gestellte Bewegungsenergie ausschließlich von dem einzigen Servomotor bezogen.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung lagert die Spindel an einer anderen Stelle in einem Wälzlager. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wälzlager sich an einem Ende der Spindel befindet, an dem die Spindel wiederum abtreibt. Das Wälzlager ist im Bereich des Abtriebs vorhanden. Gängige Wälzlager können Zylinderrollenlager, Kugelrollenlager oder auch Nagellager sein. Zylinderrollenlager haben Vorteile, wenn mit möglichst großen Abrollflächen gearbeitet werden soll, z. B. an den Abrollflächen seitlich verspannt werden soll. Kugellager können häufig leichtläufiger gestaltet werden. Generell besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wälzlager verspannt an der Spindel angreift. Das Wälzlager ist also intern, vorzugsweise elastisch, verformt. Im Wälzlager wirken Spannungskräfte. Dadurch wird das Spiel des Abtriebs verringert. Der Antrieb insgesamt wird steifer. Der Antrieb ist u. a. dadurch steif ausgeführt.
Der Antrieb bzw. die Einheit, die den Antrieb bildet, einschließlich der Spindel sind vorteilhafterweise mittig in dem Lastrahmen angeordnet. Wird eine breitere Seite des Lastrahmens betrachtet, so gibt es eine mittige Anordnung, die auf halber Strecke zwischen den äußeren Rändern des Lastrahmens liegt. Der Antrieb ist vorzugsweise vollständig an einer Stelle konzentriert. Die Stelle kann vorteilhafterweise zwischen den Beinen des Lastrahmens liegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich das ortsfeste Lager an oder in einer Mitteltraverse. Die Mitteltraverse ist Teil des Lastrahmens. Die Mitteltraverse ist eines der unbeweglichen Teile des Lastrahmens. Die Mitteltraverse ist ein ortsfester Bestandteil des Lastrahmens. Über die Mitteltraverse ist das Lager an dem Lastrahmen gehalten. Eine Anordnung der Halterung für die Spindel an der Mitteltraverse fördert eine symmetrische Prüfkrafteinlenkung über die Spindel.
Das ortsfeste Lager ist vorteilhafterweise eine Mutter für die Spindel. Das Lager ist drehfest fixiert. Das Lager ist also nicht mit der Spindel mitdrehbar, sondern das Lager steht fest, insbesondere in Verbindung mit der Mitteltraverse. Bevorzugt ist das Lager auch axial fixiert. Das Lager behält seine Position in Richtung der zentral angeordneten Prüfachse bei. Die Materialprüfmaschine kann in jeder axialen Positionierung der Gewindespindel in der Mutter betrieben werden. Das fixierte Lager trägt zu einer steifen Gestaltung des Antriebs in vorteilhafter Weise bei.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist Teil des ortsfesten Lagers eine Kugelumlaufmutter. Die Kugelumlaufmutter besteht aus einem Mutterkörper mit eingearbeiteten Kugelumläufen, einem Kugelrückführkanal und sogenannten Rückführhülsen. Die Kugeln können eine Übergröße haben. Eine Verformung der Kugeln, die in der Regel im Mikrometerbereich stattfindet, wird benutzt, um eine Kraftübertragung zwischen Lager und Spindel ohne jegliches Spiel, also eine spielfreie Lagerung der Spindel, zu ermöglichen.
Als Gegenstück zu der Kugelumlaufmutter ist – in einer Ausgestaltung – ein sogenannter Kugelgewindetrieb an der Spindel vorzusehen. Die Spindel lagert über den Kugelgewindetrieb in der Kugelumlaufmutter. Die spielfreie Kraftübertragung eines Kugelgewindetrieb-Kugelumlaufmutter-Mechanismuses ermöglicht eine unmittelbare Umsetzung einer Antriebsbewegung in eine Axialbewegung der Spindel und damit des Prüfkraftübertragungsmittels.
Es ist von Vorteil, wenn die Kugelumlaufmutter mechanisch verspannt ist. Es wirken also interne Spannungskräfte, die darauf gerichtet sind, kein Spiel aufgrund von elastischen Verformungen der Kugelumlaufmutter zuzulassen. Vor allem die Kugeln, die vorzugsweise in einem gewissen, initialen Bereich elastisch verformbar sind, tragen dazu bei, dass der Kugelgewindetrieb in einem mittleren Abschnitt spielfrei lagerbar ist. Die Spielfreiheit der Kugelumlaufmutter kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Die Kugelumlaufmutter kann zweigeteilt sein. Eine Hälfte ist eine obere Hälfte. Eine Hälfte ist eine untere Hälfte. Die Hälften werden zueinander bzw. gegeneinander verdreht. Dies kann auch als gekonterte Anordnung der Hälften der Kugelumlaufmutter bezeichnet werden. Eine Hälfte der Kugelumlaufmutter spannt die in ihr angeordneten Kugeln nach oben hin ein. Eine Hälfte der Kugelumlaufmutter spannt die in ihr angeordneten Kugeln nach unten hin ein. Ist die endgültige Lage erreicht, wird mittels Passfeder die endgültige Lage der Hälften der Kugelumlaufmutter fixiert. In einer weiteren Möglichkeit, spielfreie Kugelumlaufmuttern herzustellen, werden Kugeln in Übergrößen eingesetzt, sodass eine Oberflächenverformung der übergroßen Kugeln genutzt wird. Beide Herstellweisen sorgen für eine Spielfreiheit der Kugeln.
Für eine verbesserte Lagerung sorgt, wenn die Kugelumlaufmutter in ihrem Inneren gefettet ist. Das Fetten dient dazu, Reibungsverluste zu verringern. Die Spindel ist freigängiger.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Prüfkraftübertragungsmittel an Säulen des Lastrahmens gleitgelagert an. Das Prüfkraftübertragungsmittel und die Säulen berühren einander. Sie können sich aneinander vorbeibewegen, wobei die Bewegung durch eine Gleitreibungskraft gehemmt ist. Die Säulen können Bestandteile des Lastrahmens, insbesondere an einer Längsseite, sein. Die Säulen begrenzen zugleich in vorteilhafter Weise einen Prüfraum, der zwischen den Säulen liegt.
Das Spiel ist auf dem gesamten Kraftübertragungsweg zwischen der Antriebsquelle und dem Prüfkraftübertragungsmittel so gering wie möglich zu halten. Dazu ist es von Vorteil, wenn alle Bestandteile des Antriebs – im Sinne von Kettengliedern – von der Antriebsquelle bis zu der Spindel formschlüssig ineinander greifen. Insbesondere für Komponenten, die eine Kraft von der Antriebsquelle auf die Spindel übertragen, die also als Antriebskraftübertragungsmittel bezeichnet werden können, ist ein spielarmes Ineinandergreifen für eine exakte Ausführung von Axialbewegungen des Prüfkraftübertragungsmittels hilfreich. Eine so geartete spielarme Übertragungskette fördert eine möglichst genaue Messung.
Es kann eine kraftschlüssige Klemmkupplung vorhanden sein, durch die Kraft von der Antriebsquelle auf die Spindel übertragbar ist. Die Klemmkupplung dient dazu, dass der Kraftfluss im Bedarfsfall unterbrochen werden kann. Die Klemmkupplung ist spielarm ausgestaltet. Vorteilhaft ist es, wenn sowohl Klemmkupplung wie auch sonstige Lager an der Spindel spielarm oder sogar spielfrei gestaltet sind.
Gute formschlüssige Antriebskraftübertragungsmittel sind Planetengetriebe, von denen eines im Übergang zwischen Motor und Spindel sitzt. Ein solches Planetengetriebe stellt eine Kraftübertragung sicher, wobei eine Untersetzung stattfinden kann. Als kraftschlüssige Klemmkupplungen kommen unter anderem Faltenbalgkupplungen in Betracht. Die Klemmkupplung kann, z. B. mittels Schrauben, auf der Motorwelle aufgeklemmt bzw. aufgeschraubt sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform einer Materialprüfmaschine ist an der Klemmkupplung ein untersetzendes Getriebe angebunden. Das Getriebe kann zentrisch angeordnet sein. Das Getriebe befindet sich, genauso wie die Spindel, auf der gleichen Achse. So können Spindel und Getriebe mittig zum Lastrahmen angeordnet sein. D. h., der geometrische Mittelpunkt des Getriebes befindet sich in Verlängerung zu der Achse der Spindel. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Getriebe einen Untersetzungsfaktor zwischen 20 und 100 aufweist. Die Kraft aus dem Antriebsmotor wird erhöht, die Geschwindigkeit bzw. der Weg wird gleichermaßen reduziert. Damit das Spiel in dem Getriebe nur einen geringen Fehlereinfluss hat, sollte das Spiel des Getriebes nicht größer als eine Winkelminute sein. Das Getriebe wird von der Antriebsquelle angetrieben. Das Getriebe überträgt seine Kraft abtriebsseitig auf die Spindel. Das Getriebe erhöht die aufbringbare Prüfkraft.
Für eine Erhöhung der Stabilität der Materialprüfmaschine ist es von Vorteil, wenn die Materialprüfmaschine neben der Fahrtraverse noch eine Führungstraverse aufweist. Beide Traversen, zumindest aber die Fahrtraverse, können durch den Antrieb bewegt werden. Die Bewegung erfolgt entlang eines Teils des Lastrahmens. Beide Traversen haben nur einen Bewegungsfreiheitsgrad in eine Richtung bzw. entlang einer Bewegungsachse. D. h., sie sind nur entlang dieser Achse beweglich, die vorzugsweise möglichst parallel zur Spindel verläuft, insbesondere zu der von der Spindel festgelegten Achse verläuft. Die Traversen sind in Richtungen, die orthogonal zu der Achse liegen, unbeweglich.
Die Fahrtraverse und die Führungstraverse haben gemäß einer vorteilhaften Art der Anbindung jeweils einen Flansch. Der Flansch stellt eine Verbindung zu dem Antrieb her. Der Flansch vermittelt also zwischen der Fahrtraverse bzw. der Führungstraverse und dem Antrieb. Der Flansch ermöglicht eine gleichmäßige Kraftübertragung auf die eine oder mehrere Traversen.
Die Fahrtraverse und die Führungstraverse bewegen sich in vorteilhafter Weise zueinander gleichlaufend, idealerweise sogar ohne jegliches Übersetzungsverhältnis, also gleichmäßig. Bezüglich des (gewählten) Fixpunktes an dem Lastrahmen bzw. der fixen Teile des Lastrahmens ändert sich die Lage der Fahrtraverse und die Lage der Führungstraverse in gleichem Maße. Die Führungstraverse läuft mit der Fahrtraverse mit. Die Führungstraverse wirkt so stabilisierend auf die Materialprüfmaschine.
Zu dem Lager des Antriebs gibt es ein Gegenlager. Das Gegenlager wirkt als Gegenstück mit dem ortsfesten Lager zusammen, das sich am Lastrahmen, vorzugsweise an dessen ortsfester Traverse, befindet. Das Gegenlager kann an das ortsfeste Lager eine Kraft übertragen. Das Gegenlager bewegt sich zusammen mit dem Antrieb und der Fahrtraverse. Das Gegenlager bewegt sich in die gleiche Richtung wie der Antrieb und die Fahrtraverse. Dabei legt es – vorteilhafterweise – den gleichen Weg wie der Antrieb und die Fahrtraverse zurück.
Der Lastrahmen begrenzt vorteilhafterweise einen Innenraum der Materialprüfmaschine. In diesen Innenraum ist die Materialprobe anordnenbar. In der Regel sind in dem Innenraum Spannmittel vorgehalten, in die die Materialprobe einspannbar ist. Die Materialprobe stellt ein zu prüfendes Werkstück dar. Auf die Materialprobe ist eine Prüfkraft aufbringbar. Die Prüfkraft wird bevorzugt von dem Antrieb aufgebracht. Für die Übertragung der Prüfkraft auf die Materialprobe ist die Fahrtraverse vorhanden.
Die Materialprüfmaschine hat weniger bewegliche Teile als statische Teile. Die statischen Teile sorgen für eine Standfestigkeit der Materialprüfmaschine. Zu den beweglichen Teilen der Materialprüfmaschine gehören vorteilhafterweise der Antrieb mit der Spindel, die Fahrtraverse, der Flansch, die Klemmkupplung sowie die Führungstraverse. Als Antriebsmittel ist bevorzugt nur eine einzige Spindel vorhanden. Es ist vorteilhaft, wenn auch nur ein einziger Antrieb vorhanden ist, der der Erzeugung von Prüfkräften dient. Weil die Anzahl der beweglichen Teile gering gehalten werden kann, ist ein kompakter Aufbau des Antriebs möglich. Das Element, das den Antrieb bildet, kann sehr steif ausgeführt werden.
Die Fahrtraverse kann sich an jedem Ort zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position befinden. Die erste Position ist bevorzugt näher an einer Standfläche der Materialprüfmaschine als die zweite Position. Insbesondere liegt die erste Position in einem von dem Lager ausgehenden Koordinatensystem in Achsrichtung in einem positiven Bereich nahe Null. Die zweite Position liegt in Achsrichtung ebenfalls bevorzugt in dem positiven Zahlenbereich; die Position ist aber weiter vom Ursprung entfernt als die erste Position. Der Abstand zwischen der ersten Position und der zweiten Position der Spindel ist gleich dem maximalen Weg, den die Spindel durch das Lager zurücklegen kann. Es finden nur Bewegungen der Fahrtraverse zwischen der ersten und der zweiten Position statt. Die übrigen beweglichen Teile sind in Achsrichtung ebenfalls nur auf einer Strecke beweglich, deren Länge dem Abstand der ersten von der zweiten Position entspricht, ggf. auch nur in einem proportionalen Verhältnis des Abstandes der Positionen zueinander.
Die erste Position, bis zu der die Fahrtraverse bewegbar ist, kann vorteilhafterweise durch einen Anschlag an einem Sockel vorgegeben werden. In der ersten Position berührt ein bewegliches Teil der Materialprüfmaschine einen Sockel, der das bewegliche Teil an einer Bewegung über die erste Position hinaus hindert. Das bewegliche Teil, das in der ersten Position an den Sockel anschlägt, kann beispielsweise der Antrieb sein. Somit kann die Fahrtraverse in ihrem Weg indirekt, z. B. über den Antrieb, gestoppt werden.
Eine Spindel mit einer Gewindesteigung zwischen 5 mm und 15 mm, bezogen auf einen Umlauf des Gewindes, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Ein solcher Gewindegang sorgt für ausreichende Feinfühligkeit bei gleichzeitig ausreichendem Fahrweg für das Prüfkraftübertragungsmittel.
Die zuvor dargelegte Materialprüfmaschine kann dazu verwendet werden, dass eine Prüfkraft auf eine Materialprobe gebracht wird. Die Übertragung der Prüfkraft auf die Probe kann auch in wechselnder Weise geschehen. Das bedeutet, die Belastung kann wechselnd, z. B. zwischen Schub und Zug, sein. Bei abwechselnder Anwendung einer Zugkraft und einer Druckkraft ist es vorteilhaft, wenn der gesamte Antrieb, der insbesondere nur ein einziges Mal vorhanden ist, möglichst spielarm ist. Mit dem Begriff „spielarm” werden insbesondere Spiele bezeichnet, bei denen das Spiel kleiner als 1 Winkelminute eines rotierenden Teils des Antriebs ist.
Durch eine spielfreie Auslegung des Lagers der Spindel bzw. eine möglichst spielarme Gestaltung des gesamten Antriebs kann eine Bewegung der Antriebsquelle unmittelbar spielarm in einer vom Antrieb bewegten Gewindespindel in gleichgerichtete Hub- oder Senkbewegung der Fahrtraverse umgesetzt werden. Insbesondere eine Materialprüfmaschine, die pro Kilonewton aufgewendeter Prüfkraft, gerade einmal um höchstens 20 μm gedehnt oder gestaucht wird, kann als spielarm angesehen werden.
Mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen ist es vorstellbar, dass sogar noch geringere Dehnungen und Stauchungen erzielt werden. So können Materialprüfmaschinen geschaffen werden, die pro Kilonewton aufgewendeter Prüfkraft höchsten um 15 μm eine Längenänderung erfahren. So haben Messungen an einer 50 kN-Materialprüfmaschine Längenänderungen, also Dehnungen oder Stauchungen, von weniger als 0,7 mm ergeben.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Antrieb eine Prüfkraft größer 900 N zur Verfügung stellt. Die Prüfkraft wird über das Prüfkraftübertragungsmittel an die Materialprobe übertragen. Die Materialprobe wird vor einer Durchführung einer Messung in einer konzentrischen Anordnung platziert, die in einer fluchtenden Verlängerung des Antriebs angeordnet ist.
Ein besonders guter Anwendungsfall ist gegeben, wenn eine erfindungsgemäße Materialprüfmaschine unter wechselnder Belastung eingesetzt wird. Dabei werden abwechselnd Zugkräfte und Druckkräfte als Prüfkraft an die Materialprobe übertragen. Das Prüfkraftübertragungsmittel wechselt regelmäßig, insbesondere mit einer vorgebbaren Frequenz, seine Bewegungsrichtung. In einer ersten Bewegung hebt sich das Prüfkraftübertragungsmittel. In einer zweiten Bewegung senkt sich das Prüfkraftübertragungsmittel. Vorzugsweise beträgt der Hub der ersten und der zweiten Bewegung weniger als 0,3 mm oder sogar weniger als 0,1 mm. Die erste und die zweite Bewegung werden bei gleichzeitiger Messung des Wegs ausgeführt. Nach Abschluss sämtlicher Messungen kann eine dritte Bewegung, insbesondere eine Hubbewegung, und eine vierte Bewegung, insbesondere eine Senkbewegung, zum Abschluss ausgeführt werden. Der Hubweg der dritten Bewegung und der vierten Bewegung beträgt bis zu 10 mm. Die dritte und die vierte Bewegung dienen dazu, Schmiermittel in der Materialprüfeinrichtung zu verteilen, insbesondere auf dem Kugelgewindetrieb. Unter wechselnder Belastung zeigt sich der besondere Vorteil der spielarmen Ausführung der Materialprüfmaschine. Jede kleinste Bewegung des Antriebs wird, insbesondere unabhängig von der Bewegungsrichtung, sofort in eine Bewegung des Prüfkraftübertragungsmittels umgesetzt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Nachgiebigkeit der Materialprüfmaschine – im Vergleich mit Materialprüfmaschinen aus dem bisherigen Stand der Technik – um den Faktor 3 verbessert werden. Der Begriff „Nachgiebigkeit” kann z. B. anhand des Quotienten aus einer eingebrachten Kraft und einer Verformung der Materialprüfmaschine bestimmt werden, wobei der Wert inklusive des Weges eines Nennkraftaufnehmers gemessen wird und die Verformung des Maschinengestells des Antriebs und des Nennkraftaufnehmers beinhaltet. Die Steifigkeit des Lastrahmens der erfindungsgemäßen Materialprüfmaschine wird ebenfalls im Bereich um den Faktor 3 verbessert. Dabei resultiert der Wert der Steifigkeit aus einer direkten Verformungsmessung zwischen einer Standtraverse und der Fahrtraverse.
Der so, wie zuvor beschriebene, gestaltete Antrieb kann als Antrieb mit einer (nahezu) gleichbleibenden Steifigkeit, unabhängig von der genauen Lage der Fahrtraverse, bezeichnet werden. Der gesamte Antrieb, insbesondere das Getriebe des Antriebs, hat ein, für den regulären Betrieb, vernachlässigbares Umkehrspiel.
Nach einem weiteren, vorteilhaften Aspekt sind trotz der hervorragenden messtechnischen und verfahrenstechnischen Eigenschaften der Materialprüfmaschine an vielen Stellen nur gänzlich übliche Lager einzubauen.
Durch die Anordnung der Spindel in einem mittleren Bereich des Lastrahmens hat die Spindel genügend Platz für eine drehende Bewegung um ihre eigene Achse.
Nach einem weiteren Aspekt kann auch die Materialprüfmaschine dadurch beschrieben werden, dass die Materialprüfmaschine in Bezug auf ihren Antriebsstrang als anbauaggregatefrei bezeichnet werden kann. Die Umsetzung der Bewegung von dem Motor erfolgt innerhalb der durch den Lastrahmen aufgespannten Bereiche der Materialprüfmaschine.
Die zuvor dargestellten Kombinationen und Ausführungsbeispiele lassen sich auch in zahlreichen weiteren Verbindungen und Kombinationen betrachten.
Figurenkurzbeschreibung
Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, die beispielhaft besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten darlegen, ohne die vorliegende Erfindung auf diese einzuschränken, wobei
1 eine Materialprüfmaschine in einer ersten Position in einer Frontalansicht,
2 die Materialprüfmaschine aus 1 in der ersten Position in einer Seitenansicht,
3 die Materialprüfmaschine aus 1 in einer zweiten Position in einer Frontalansicht,
4 die Materialprüfmaschine aus 1 in der zweiten Position in einer Seitenansicht,
5 einen vergrößerten Ausschnitt des Antriebsstrangs der Materialprüfmaschine aus 1,
6 eine Hysteresekurve einer Kraft-Weg-Messung, die mit einer erfindungsgemäßen Materialprüfmaschine aufgenommen wurde, und
7 eine Hysteresekurve einer Kraft-Weg-Messung, die mit einer Materialprüfmaschine gemäß dem Stand der Technik aufgenommen wurde, zeigt.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Materialprüfmaschine 1. Die Materialprüfmaschine 1 hat einen Lastrahmen 3. Der Lastrahmen 3, beziehungsweise ein Teil 5 des Lastrahmens, begrenzt einen Innenraum 19. Im Innenraum 19 können Tests an einer (nicht dargestellten) Materialprobe vorgenommen werden. Dazu wird eine Prüfkraft an die Materialprobe übertragen. Als Prüfkraftübertragungsmittel dient eine Fahrtraverse 9. Die Fahrtraverse 9 ist beweglich. Die Fahrtraverse 9 kann unterschiedliche Höhen an dem Lastrahmen 3 einnehmen.
Die Fahrtraverse 9 ist über einen Flansch 17 mit dem (in 1 nicht zu sehenden) Antrieb 21 in dem Antriebsgehäuse 31 verbunden.
Zur Stabilisierung ist eine Führungstraverse 11 vorgesehen. Die Führungstraverse 11 führt die Bewegungen der Fahrtraverse 9 gleichartig aus, die Führungstraverse 11 läuft mit der Fahrtraverse 9 mit. Die Führungstraverse 11 stellt der Materialprüfmaschine 1 eine zusätzliche Querverstrebung zur Verfügung. Die Führungstraverse 11 steht über einen eigenen Flansch 17' mit dem (angedeuteten) Antrieb 21 in Verbindung.
Oberhalb der Führungstraverse 11 befindet sich eine Klemmkupplung 27. Die Klemmkupplung 27 ist Bestandteil des Antriebs 21.
In 1 ist eine Achse A-A dargestellt. Die Achse A-A verläuft auf einer Mittellinie der Materialprüfmaschine 1. Die Achse A-A ist zentrisch der Materialprüfmaschine 1 angeordnet. Alle Komponenten des Antriebs 21, wie die im Inneren des Antriebsgehäuses 31 angeordneten Antriebsquelle 23 und die Spindel 37, erstrecken sich entlang der Achse A-A. Die Materialprobe ist zentrisch zu der Achse A-A einzuspannen. Die Achse A-A ist also zugleich eine Prüfachse 35.
Eine Mitteltraverse 13 ist fest mit dem Lastrahmen 3 verbunden. Die Mitteltraverse 13 ist unbeweglich. Die Mitteltraverse 13 ist zwischen der Fahrtraverse 9 und der Führungstraverse 11 angeordnet.
In der in 1 dargestellten Position befindet sich die Materialprüfmaschine 1 in einer unteren Position. Die in 1 dargestellte Position kann als erste Position 61 bezeichnet werden. Das Antriebsgehäuse 31 mit der Antriebsquelle 23 stützt sich auf einen Sockel 15 ab. In dem Sockel 15 sind mehrere Sockelstreben 67, 67'. Der Sockel 15 mit seinen Sockelstreben 67, 67' ist Bestandteil des Lastrahmens 3. Je nach Auslegung und Dimensionierung können die Sockelstreben 67, 67' des Sockels 15 einen Anschlag für das Antriebsgehäuse 31 darstellen. Vorzugsweise wird aber über Sensoren oder Schalter dafür gesorgt, dass das Antriebsgehäuse 31 nicht den Sockel berührt; sich das Antriebsgehäuse 31 nicht über den Sockel 15 hinaus bewegen kann.
2 zeigt einen Schnitt durch die Materialprüfmaschine 1 aus 1 entlang der Achse A-A. In 2 sind einige Elemente der Materialprüfmaschine 1 genauer zu erkennen.
Zu dem Lastrahmen 3 trägt die Säule 7 bei. Die Säule 7 ist ein Teil, ähnlich zu dem Teil 5, des Lastrahmens 3. Die Fahrtraverse 9 ist beweglich. Die Fahrtraverse 9 kann entlang der Säule 7 beweglich auf und nieder laufen. Mit anderen Worten, die Fahrtraverse 9 kann an der Säule 7 entlanggleiten. An der Säule 7 ist ein erster Anschlag 65 und ein zweiter Anschlag 65' angebracht. Die Anschläge 65, 65' legen den Bewegungsspielraum der Fahrtraverse 9 zwischen der ersten Position 61 und einer zweiten Position 63 (siehe z. B. 3) fest. Die Fahrtraverse 9 wird u. a. von dem Anschlag 65, der z. B. durch einen Sensor oder einen Schalter gebildet wird, in seinem Bewegungsraum begrenzt.
Die Säule 7 ist ein Teil 5 des Lastrahmens 3. Die Säule 7 begrenzt den Innenraum 19, von dem zumindest ein Teil als Prüfraum dient.
Als Antriebsquelle 23 ist ein Servomotor 25 vorgesehen. Der Servomotor 25 wirkt über ein Getriebe 29 und eine Klemmkupplung 27 auf die Gewindespindel 37 ein.
Die Gewindespindel 37 ist über eine in ihren Rillen geführte Kugellagerung 51 in der unbeweglichen Mitteltraverse 13 gelagert. Die Mitteltraverse 13 bildet für den Antrieb 21 (siehe 5) einen Fixpunkt. Die Mitteltraverse 13 umfasst eine Kugelumlaufmutter, die die Kugellagerung 51 für die Gewindespindel 37 trägt.
Mittig des Flansches 17 der Fahrtraverse 9 ist ein Wälzlager 43 vorhanden. Das Wälzlager 43 umgreift ein Schubende 55 der Spindel 37. Das Wälzlager 43 fasst das Schubende 55 der Spindel 37 ein.
Ein Abstand 33 zwischen der Antriebsquelle 23 und der Fahrtraverse 9 bleibt bei einer Bewegung der beweglichen Teile 59, zu denen die Fahrtraverse 9, die Gewindespindel 37, das Getriebe 29 und die Führungstraverse 11 sowie der Servomotor 25 gehören, stets konstant. Die beweglichen Teile 59 sind bezüglich einer translatorischen Bewegung entlang der Prüfachse 35 starr miteinander verbunden. Es ist allerdings vorgesehen, dass beispielsweise die Gewindespindel 37 in der Fahrtraverse 9 eine Rotationsbewegung um die Prüfachse 35 ausführen kann. Die Rotationsbewegung erfolgt unter Nutzung des Wälzlagers 43.
3 zeigt die Materialprüfmaschine 1 aus einer Perspektive, wie sie in 1 dargestellt worden ist, jedoch in einer anderen Stellung der Fahrtraverse 9. Der elektrische Schalter der Fahrtraverse 9 berührt den Anschlag 65'. In 3 befindet sich die Materialprüfmaschine 1 also in der zweiten (Extrem-)Position 63. Alle beweglichen Teile, wie das bewegliche Teil 59 Fahrtraverse 9 mit ihrem Flansch 17 oder das bewegliche Teil 59 Gewindespindel 37 oder die Klemmkupplung 27, die Führungstraverse 11 mit ihrem Flansch 17' oder das Antriebsgehäuse 31, sind entlang der Achse B-B, die als Prüfachse 35 wirkt, im Vergleich zu 1 um eine Strecke verschoben, deren Länge dem Abstand zwischen dem Anschlag 65 und dem Anschlag 65' entspricht. Der Innenraum 19' ist im Vergleich zu dem Innenraum 19, der in 1 gezeigt ist, verkleinert.
Die Bewegung der beweglichen Teile 59, beispielsweise von der ersten Position nach 1 in die zweite Position nach 3, die als Gleitbewegung ausführbar ist, ist durch Führungselemente wie das Führungselement 53 unterstützbar.
Die unbeweglichen Teile des Lastrahmens 3, wie die Mitteltraverse 13 und der Sockel 15, behalten im Betrieb die gleiche Position bei. Es ist die relative Position, die auch in 1 gezeigt ist.
4 zeigt den Schnitt durch die Materialprüfmaschine 1, so wie in 2 dargestellt, in der zweiten Position, die auch in der 3 eingenommen ist. Der Abstand 33 der beweglichen Teile wie des Teils 59, von denen in 4 die Fahrtraverse 9 mit ihrem Flansch 17, die Spindel 37, die Führungstraverse 11, die Klemmkupplung 27, das Getriebe 29 und der Motor 25 dargestellt sind, zueinander ist unverändert. Der Abstand 33 bleibt stets konstant, also im Vergleich zu dem Abstand 33, der in 2 gezeigt ist, unverändert. Alle beweglichen Teile wie das Teil 59 sind also untereinander fest verbunden. Die beweglichen Teile 59 können keine Relativbewegung zueinander ausführen. Insbesondere bewegen sich die Fahrtraverse 9 und die Führungstraverse 11 zueinander gleichläufig. Die beweglichen Teile wie das bewegliche Teil 59 haben einen Bewegungsfreiheitsgrad entlang der Prüfachse 35.
In der Position der Materialprüfmaschine 1, die in 4 gezeigt ist, wirkt bei einer Bewegung in Richtung der ersten Position 61 (siehe 1 und 2) ein an der Fahrtraverse 9 befindliches Ende der Spindel 37 als Zugende 57.
Der Lastrahmen 3 ist selbst ortsfest. Der Lastrahmen 3 verändert seine Lage, also auch im Vergleich zu 2, nicht. Dazu gehört auch die Säule 7, an der entlang sich die Fahrtraverse 9 zwischen dem Anschlag 65 und dem Anschlag 65' gleitend bewegen kann.
Auch die Mitteltraverse 13, in der vorzugsweise die Spindel 37 führbar ist, ist, wie sich aus einem Vergleich mit 2 ergibt, am selben Ort geblieben. Die Mitteltraverse 13 ist also ortsfest.
5 zeigt die beweglichen Teile, zu denen das bewegliche Teil 59 gehört, der Materialprüfmaschine 1, wie sie z. B. in 1 gezeigt ist, in detaillierter Darstellungsweise.
Die Fahrtraverse 9 ist formschlüssig von der Antriebsquelle 23 antreibbar. Alle beweglichen Teile, wie auch das bewegliche Teil 59, bilden einen zusammenhängenden Kraftübertragungsstrang. An der Schnittstelle zwischen jedem einzelnen Bestandteil des Kraftübertragungsstrangs wird ein Spiel so weit wie möglich vermieden. Der Kraftübertragungsstrang beginnt bei der Antriebsquelle 23. Die Antriebsquelle 23 setzt in der dargestellten Ausführungsvariante elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Genauso können aber auch andere Antriebsprinzipien, die gleiche positive Wirkungen entfalten können, benutzt werden. Die Drehbewegung der Antriebsquelle 23 wird an das Getriebe 29, für das ein Planentengetriebe verwendbar ist, weitergeleitet. Das Getriebe 29 arbeitet untersetzend. Je nach Auslegung des Getriebes 29 hat dieses einen Untersetzungsfaktor, der vorzugsweise zwischen 20 und 100 liegt, im vorliegenden Beispiel z. B. bei 50. Der längere Weg, den ein Rotor der Antriebsquelle 23 zurücklegt, wird gemäß dem Hebelgesetz in eine größere Kraft umgewandelt. Bei einem Planentengetriebe ist in der Regel ein (kleines) Spiel vorhanden. Das Getriebe 29 ist aber spielarm ausgestaltet. Insbesondere beträgt das Spiel des Getriebes 29 weniger als eine Winkelminute.
Im Anschluss an das Getriebe 29 – im Sinne des Abtriebsflusses – ist die Klemmkupplung 27 angeordnet. Die Klemmkupplung 27 ist als Faltenbalgkupplung ausgestaltet. Die Klemmkupplung 27 ist spielfrei. Die Klemmkupplung 27 kann eine Kraft der Antriebsquelle 23 in einem ersten Betriebszustand kraftschlüssig an die Gewindespindel 37 übertragen. Die Klemmkupplung 27 kann eine Kraftübertragung in einem zweiten Schalt- oder Betriebszustand unterbinden.
Die Antriebsquelle 23, das Getriebe 29, die Klemmkupplung 27 und die Gewindespindel 37 bilden gemeinsam den Antrieb 21'. Der Antrieb 21' ist ein Linearantrieb. Der Antrieb 21' ermöglicht Translationsbewegungen der Fahrtraverse 9, die somit als Prüfkraftübertragungsmittel zur Verfügung steht.
Die Führungstraverse 11 greift im Bereich des Getriebes 29 und der Klemmkupplung 27 an. Die Führungstraverse 11, die nur ausschnittsweise eingezeichnet ist, dient als ein erstes lineares Führungselement.
Die Gewindespindel 37 überträgt eine Kraft an die Fahrtraverse 9. Die Gewindespindel 37 ist also eine Kraftübertragungsstange 39. Die Kraftübertragungsstange 39 hat ein Gewinde 49. Mittels des Wälzlagers 43 wird eine Rotationsbewegung der Gewindespindel 37 beweglich in der Fahrtraverse 9 gehalten. Die Gewindespindel 37 überträgt nur eine Kraft parallel oder antiparallel zu ihrer Achse. Es werden vorzugsweise keine Drehmomente übertragen. Nur die Translationsbewegung der Gewindespindel 37 resultiert in die übertragene Prüfkraft.
Die Spindel 37 hat eine über ihren Umfang gleichmäßige Steigung, die bei einem Wert zwischen 5 mm und 15 mm pro Gang liegt. Sie legt also pro Umdrehung einen Hub zurück, der irgendwo zwischen 5 mm und 15 mm beträgt.
Die ortsfeste Mitteltraverse 13, die ebenfalls nur ausschnittsweise dargestellt ist, dient als Lager 41 für die Gewindespindel 37. Das Lager 41 der Gewindespindel 37 stützt sich also über die Mitteltraverse 13 am Lastrahmen 3 (vgl. 1 bis 4) ab. Das Lager 41 ist ein Gegenstück der Spindel 37. Das Lager 41 ist sowohl in axialer Richtung festgelegt als auch drehfest fixiert. Das Lager 41 ist also völlig unbeweglich. Das Lager 41 weist ein Innengewinde auf. Das Lager 41 wirkt für das Außengewinde der Spindel 37 als Mutter 45. Die Mutter 45 ist als Kugelumlaufmutter ausgeführt. Die Kugelumlaufmutter steht bereits bei ihrer Montage unter Spannung. Sie ist also vorgespannt. Die Spindel 37 hat ein Gewinde, das als Kugelgewindetrieb 47 ausgestaltet ist. Zwischen Spindel 37 und Mutter 45 bewegen sich in Laufrillen Kugeln (nicht dargestellt), die beim Drehen der Spindel 37 axial wandern. Die umlaufenden Kugeln berühren spielfrei beide Flanken des Gewindes an je einem Punkt. Die Kugeln sorgen für eine Kugellagerung 51 des Kugelgewindetriebs 47. Der Kugelgewindetrieb 47 ist gefettet, um die Reibungseigenschaften zu verbessern.
6 zeigt eine Hysteresekurve 81' einer Weg-Kraft-Abhängigkeit einer Materialprüfmaschine 1, die in den 1 bis 4 eingehender vorgestellt worden ist. Zur Messung der Hysteresekurve 81' werden abwechselnd Druck- und Zugkräfte auf eine Materialprobe aufgebracht. In 6 ist eine Kraft F' über eine Verformung der Maschine s' aufgetragen. Die Kurve wurde mit einer erfindungsgemäßen Materialprüfmaschine 1 (siehe 1 bis 5) aufgenommen. Die Achsen F', s' stellen das Verhalten in qualitativer Hinsicht dar, nicht aber in quantitativen Werten. Es können also unterschiedliche Einheiten für die Achsen F', s' gewählt werden. Die Einheiten der Achsen F', s' hängen von der Dimensionierung und der Auslegung der Materialprüfmaschine 1 ab. Der Ursprung 0' des Koordinatensystems ist entsprechend gekennzeichnet. Die Neukurve 83' wird an einer Materialprüfmaschine 1 und mit einer Materialprobe aufgenommen, die noch nicht belastet wurde. An die Neukurve 83' schließt sich der Hysteresezweig bei Schubkraft 85' an, auf den wiederum der Hysteresezweig für Zugkraft 87' folgt. D. h., in der Neukurve 83' wird zunächst die Schubkraft bis zu einem Umkehrpunkt erhöht. Bei nachlassender Schubkraft bleibt trotzdem noch eine Verformung übrig, selbst wenn die Schubkraft den Nullpunkt erreicht und in eine Zugkraft übergeht. Die Zugkraft wird dann wieder bis zu einem Umkehrpunkt erhöht. Daraufhin geht die Zugkraft wieder zurück und wird wieder zur Schubkraft.
7 zeigt eine ähnliche Hysteresekurve 81 wie 6. Der 7 liegt allerdings eine Messung mit einer Materialprüfmaschine nach dem Stand der Technik zugrunde, bei der kein entsprechend steifer Antrieb vorhanden ist. Auch in 7 ist eine Kraft F über einer Dehnungsstrecke s aufgetragen. Die Einheiten der Achsen F, s sind wieder willkürlich gewählt. Die Kurven des Kraft-Wege-Diagramms für den Hinweg und für den Rückweg liegen weiter auseinander als bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Materialprüfmaschine 1 (nach den vorherigen Bildern). Die Hysteresezweige für Schubkraft 85 und für Zugkraft 87 zeigen, dass eine Materialprüfmaschine nach dem Stand der Technik großen Belastungen ausgesetzt ist. Während die Neukurve 83' nach der vorliegenden Erfindung zumindest in einem Bereich nahe Null annähernd proportional verläuft, sind in der Neukurve 83 nach dem Stand der Technik Nichtlinearitäten sichtbar.
Die 6 und 7 zeigen also, dass bei einer erfindungsgemäßen Materialprüfmaschine 1 eine höhere Prüfkraft übertragbar ist als bei einer Materialprüfmaschine nach dem Stand der Technik. Außerdem ist die erfindungsgemäße Materialprüfmaschine 1 geringeren Materialbelastungen ausgesetzt als eine Materialprüfmaschine nach dem Stand der Technik. Mit einer erfindungsgemäßen Materialprüfmaschine sind größere Prüfkräfte übertragbar
Die in den einzelnen Figuren gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten lassen sich auch untereinander in beliebiger Form verbinden.
Bezugszeichenliste

0, 0': Ursprung
1: Materialprüfmaschine
3: Lastrahmen
5: Teil, wie Rahmenteil, insbesondere Lastrahmen
7: Säule
9: Fahrtraverse
11: Führungstraverse
13: Mitteltraverse
15: Sockel
17, 17': Flansch
19, 19': Innenraum, insbesondere mit Prüfraum
21, 21': Antrieb
23: Antriebsquelle
25: Motor, insbesondere Servomotor
27: Klemmkupplung
29: Getriebe
31: Antriebsgehäuse
33: Abstand
35: Prüfachse
37: Spindel, insbesondere Gewindespindel
39: Kraftübertragungsstange
41: Lager, insbesondere ortsfestes Lager
43: Wälzlager
45: Mutter, insbesondere Kugelumlaufmutter
47: Kugelgewindetrieb
49: Gewinde
51: Kugellagerung
53: Führungselement
55: Schubende
57: Zugende
59: bewegliches Teil
61: erste Position
63: zweite Position
65, 65': Anschlag
67, 67': Sockelstrebe
A-A: Schnittachse
B-B: Schnittachse
s, s': Verschiebung [willkürliche Einheiten]
F, F': Kraft [willkürliche Einheiten]
81, 81': Hysteresekurve
83, 83': Neukurve
85, 85': Hysteresezweig bei Schubkraft
87, 87': Hysteresezweig bei Zugkraft

Claims

Materialprüfmaschine (1), die einen Lastrahmen (3) mit einer Fahrtraverse (9) als Prüfkraftübertragungsmittel hat, mit einem Antrieb (21, 21'), der zur Verstellung des Prüfkraftübertragungsmittels mit diesem in Wirkverbindung steht, wobei der Antrieb (21, 21') ein elektromechanischer Linearantrieb mit einer Antriebsquelle (23) ist, durch den über eine Bewegung einer Spindel (37) das Prüfkraftübertragungsmittel verlagerbar ist, und wobei der Spindel (37) ein Lager (41) zugeordnet ist, das sich ortsfest an einem Teil des Lastrahmens (3) der Materialprüfmaschine (1) abstützend zur Bildung eines Bezugspunkts für das Prüfkraftübertragungsmittel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (21, 21') inklusive der Spindel (37) fluchtend zu einer Prüfachse (35) angeordnet ist, dessen Antriebsquelle (23) unabhängig von einer Stellung des Prüfkraftübertragungsmittels im Lastrahmen (3) einen gleichbleibenden Abstand (33) zu dem Prüfkraftübertragungsmittel beibehält.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsquelle (23) ein Motor (25) ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (37) in axialer Richtung beweglich bezüglich des ortsfesten Lagers (41) in diesem angeordnet ist.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (37) eine Kraftübertragungsstange (39) ist, die das Lager (41) hat, das in einem mittleren Bereich der Kraftübertragungsstange (39) höhenverstellbar den Linearantrieb (21, 21') mit einem fixierten Ortsbezug an dem Lastrahmen (3) befestigt.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (37) ein Schubende (55) hat, das an einem beweglichen Teil (59) des Lastrahmens (3) der Materialprüfmaschine (1) angebracht ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Teil (59) ein auf Führungselementen (53) verlaufendes Teil ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubende (55) der Spindel (37) in einem Umkehrbetrieb als Zugende (57) dient.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (37) durch einen Servomotor (25), der in einem Antriebsgehäuse (31) untergebracht ist, antreibbar ist.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (37) an einem abtriebsseitigen Ende ein Wälzlager (43) aufweist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (43) an der Spindel (37) verspannt angreift.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (21, 21') inklusive der Spindel (37) zentrisch des Lastrahmens (3) angeordnet ist.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Lager (41) der Spindel (37) über eine unbewegliche Mitteltraverse (13) ortsfest an einem Teil (5) des Lastrahmens (3) abstützt.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ortsfeste Lager (41) als Mutter für die Spindel (37) wirkt, wobei das Lager (41) drehfest fixiert ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (41) axial fixiert ist.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ortsfeste Lager (41) eine Kugelumlaufmutter (45) ist und die Spindel (37) über einen Kugelgewindetrieb (47) in der Kugelumlaufmutter (45) lagert.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlaufmutter (45) vorgespannt ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlaufmutter (45) gefettet und über Kugeln im Kugelumlauf an der Spindel (37) lagert.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfkraftübertragungsmittel an Säulen (7) gleitgelagert anliegt.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfkraftübertragungsmittel formschlüssig und spielarm von der Antriebsquelle (23) angetrieben wird.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft (F, F') der Antriebsquelle (23) durch eine spielfreie, kraftschlüssige Klemmkupplung (27) übertragbar ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkupplung (27) zwischen Antriebsquelle (23) und Spindel (37) angeordnet ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass über die Klemmkupplung (27) ein untersetzendes Getriebe (29) mit einem Spiel, das kleiner als eine Winkelminute ist, zentrisch angeordnet ist, wobei das Getriebe (29) von der Antriebsquelle (23) antreibbar ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (29) einen Untersetzungsfaktor zwischen 20 und 100 hat.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrtraverse (9) und eine Führungstraverse (11) durch den Antrieb (21, 21') bewegbar sind, wobei Fahrtraverse (9) und Führungstraverse (11) nur in einer in Bezug auf die Spindel (37) parallel verlaufenden Richtung mit einem einzigen Bewegungsfreiheitsgrad ausgestattet sind.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrtraverse (9) unter Vermittlung eines eigenen Flansches (17, 17') an dem Antrieb (21, 21') angebracht ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position der Fahrtraverse (9) und eine Position der Führungstraverse (11) zueinander gleichlaufend bezüglich des Lastrahmens (3) veränderlich sind.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenlager des Antriebs (21, 21'), über das Kraft an das ortsfeste, sich am Lastrahmen (3) abstützende Lager (41) übertragbar ist, zusammen mit dem Antrieb (21, 21') und der Fahrtraverse (9) in gleicher Richtung und mit identischem Weg bewegbar ist.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem von den Lastrahmen (3) begrenzten Innenraum (19, 19') ein zu prüfendes Werkstück einspannbar ist, auf das mittels der Fahrtraverse (9) eine Prüfkraft von dem Antrieb (21, 21') aufbringbar ist.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprüfmaschine (1) als bewegliche Teile (59) den Antrieb (21, 21') mit der Spindel (37), die Fahrtraverse (9), den Flansch (17, 17'), die Klemmkupplung (27) sowie die Führungstraverse (11) umfasst.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrtraverse (9) zwischen einer ersten Position (61) und einer zweiten Position (63) bewegbar ist, wobei der Abstand der ersten Position (61) zu der zweiten Position (63) durch einen maximalen Fahrweg der Spindel (37) durch ihr Lager (41) bestimmt ist.
Materialprüfmaschine (1) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position (61) von einem Anschlag vorgegeben wird.
Materialprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (37) ein Gewinde mit einer Steigung zwischen 5 mm und 15 mm aufweist.
Verfahren zur Einleitung einer Prüfkraft auf eine Probe durch Verstellung einer Fahrtraverse (9) als Prüfkraftübertragungsmittel in einer Prüfkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (21, 21'), der eine Gewindespindel (37) umfasst und dessen Komponenten (21, 21', 23, 25, 27, 31, 37, 39, 45) sich entlang einer Prüfachse (35) der Prüfkraftmaschine (1) erstrecken, einer Bewegung des Prüfkraftübertragungsmittels über eine feste Verbindung folgt, wobei ein Lager (41) für die Gewindespindel (37) ortsfest an einem Teil (5) eines Lastrahmens (3) der Prüfkraftmaschine (1) verbleibt.
Verfahren zur Einleitung einer Prüfkraft nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Prüfkraft auf die Probe auch bei wechselnder Belastung spielarm erfolgt, wodurch eine Bewegung der Antriebsquelle (23) unmittelbar spielarm in einer vom Antrieb (21, 21') bewegten Gewindespindel (37) gleichgerichteten Hub- oder Senkbewegung der Fahrtraverse (9) umgesetzt wird.
Verfahren zur Einleitung einer Prüfkraft nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zugkraft und eine Druckkraft abwechselnd angewendet werden.
Verfahren zur Einleitung einer Prüfkraft nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiel bei der Übertragung kleiner als eine Winkelminute eines rotierenden Teils des Antriebs (21, 21') ist.
Verfahren zur Einleitung einer Prüfkraft nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkraftmaschine (1) pro Kilonewton aufgewendeter Prüfkraft um höchstens 20 μm gedehnt oder gestaucht wird.