DE102015103391B3 - Mechanisch-dynamischer Pulser - Google Patents

Abstract

Pulser (100) zur dynamischen Beaufschlagung eines Prüflings (P) mit einer Prüflast (FP1, FP2) mit einem Maschinenrahmen (1), einem Pulserhebel (2), der an dem Maschinenrahmen (1) schwenkbar gehalten ist, sowie einer Einspannvorrichtung (3), mittels derer ein Prüfling (P) zwischen dem Pulserhebel (2) und dem Maschinenrahmen (1) kraftschlüssig festgehalten wird und über die der Prüfling (P) im Betrieb mit einer dynamischen Prüflast (FP1, FP2) beaufschlagt wird, und einem Belastungsorgan (10), das im Betrieb auf einer Seite des Pulserhebels (2) eine Grundlast (F) in den Pulserhebel (2) einleitet, sowie einem aktiven Stützlager (4, 5), das den Pulserhebel (2) im Betrieb so gegen den Maschinenrahmen (1) abstützt, dass die besagte Grundlast (F) ein Drehmoment an dem Pulserhebel (2) erzeugt, welches an der Einspannvorrichtung (3), die dieses Drehmoment auffängt, zu einer entsprechenden Gegenlast in Gestalt der besagten Prüflast (FP1, FP2) führt, wobei der Pulser (100) zwei bewegliche Stützlager (4, 5) aufweist sowie einen Stützlagerantrieb (9) zum Bewegen der beweglichen Stützlager (4, 5), wobei ein erstes Stützlager (4) den Pulserhebel (2) in einem ersten Bereich abstützt, der zwischen dem Ort liegt, an dem die Grundlast (F) eingeleitet wird und der Anbindung der Einspannvorrichtung (3) am Pulserhebel (2), und das andere Stützlager (5) den Pulserhebel (2) in einem zweiten Bereich außerhalb des ersten Bereichs abstützt und die Stützlager (4, 5) derart ausgestaltet sind, dass sie durch die ihnen vom Stützlagerantrieb (9) aufgezwungene Bewegung gegenläufig aktiviert und deaktiviert werden.

Description

• GEGENSTAND DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft einen Pulser zur dynamischen Beaufschlagung eines Prüflings mit einer Prüflast nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• STAND DER TECHNIK
• Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von dynamischen Prüfmaschinen bekannt, die jeweils ebenfalls als Pulser bezeichnet werden:
• Fluidische Pulser
• Bei solchen Pulsern wird ein Hydraulikzylinder oder ein Pneumatikzylinder abwechselnd über ein Servoventil mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt und wieder entspannt. Er belastet dadurch eine Probe oder ein Bauteil dynamisch. Dabei wird die gesamte zur Verformung des Prüflings aufzubringende Energie bei der Rückverformung und der damit einhergehenden Entspannung des Arbeitsfluides in Wärme umgewandelt.
• Dies erfordert einen hohen Energieaufwand, um das Fluid unter Druck zu setzen. Zusätzlich muss Energie aufgewendet werden, um die Wärme wieder aus dem Fluid abzuführen. Zur Regelung eines solchen Pulsers ist ein aufwendiger PID-Regler erforderlich. Besonders bei Verwendung von Pneumatikzylindern treten häufig ungewollte Schwingungen auf.
• Resonanzpulser
• Bei einem Resonanzpulser ist der Prüfling in eine Funktionskette in Gestalt eines Schwingsystems aus Federn und Massen eingebunden.
• Dieses magnetisch oder durch eine Unwucht angeregte Feder-Masse-System ist energiesparend. Es muss aber genau abgestimmt werden, so dass es vor allem bei großen Verformungen oder großer Dämpfung nicht immer realisierbar ist. Zudem ist die Frequenz nicht frei wählbar.
• Mechanische Pulser
• Bei klassischen mechanischen Pulsern wird die Belastung vorzugsweise über einen Exzenter direkt auf das Bauteil aufgebracht, ggf. unter Zwischenschaltung des Mechanismus zur Regulierung des Exzenterhubes, wie etwa von der Patentanmeldung US 2012/0279305 A1 beschrieben.
• Die oben beschriebenen Probleme der Resonanzpulser treten hier nicht auf, auch der Energieverbrauch ist gering. Indes sind die erreichbaren Kräfte geringer als beim Hydro- oder Resonanzpulser.
• Neben den klassischen mechanischen Pulsern ist aus der DE 202005018976 auch schon ein sog. Hebelpulser bekannt.
• Hierbei wird ein Wagen unter einem Pulserhebel hin- und hergeschoben. Dadurch wird der Prüfling, der an einem Ende des Hebels befestigt ist, dynamisch schwellend oder wechselnd belastet, obwohl die von außen auf den Hebel aufgebrachte Grundlast kontinuierlich als gleichbleibende Last aufgebracht wird. Um eine hohe Zug-/Druck-Wechselbelastung zu erzeugen muss der Wagen einen langen Weg hin- und her verfahren werden. Das vereitelt hohe Lastwechselfrequenzen. Solche sind aber erforderlich um die jeweils notwendigen hohen Lastspielzahlen in angemessener Zeit zu erreichen, derer es bedarf um belastbare Aussagen im praktisch relevanten Zeitfestigkeitsbereich oder Dauerfestigkeitsbereich (10⁷ Lastwechsel und mehr) machen zu können.
• AUFGABE DER ERFINDUNG
• Im Lichte dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Pulser zu schaffen, der einen geringen Energieverbrauch aufweist, vorzugsweise gut steuerbar ist und jedenfalls hohe Lastwechselfrequenzen erlaubt.
• LÖSUNG
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Pulser mit den Merkmalen des Anspruchs. Auf die einzelnen Merkmale des Anspruchs 1 ist nachfolgend näher einzugehen:
  Der demgemäß vorgeschlagene Pulser besteht aus einem ortsfesten Maschinenrahmen sowie einem Pulserhebel, der an dem Maschinenrahmen schwenkbar gehalten ist.
• An dem Pulserhebel ist eine Einspannvorrichtung befestigt, mittels derer ein Prüfling zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinenrahmen kraftschlüssig festgehalten wird. Über die Einspannvorrichtung wird der Prüfling von dem Pulserhebel mit einer dynamischen Prüflast beaufschlagt.
• Darüber hinaus besitzt der Pulser ein Belastungsorgan, das auf einer Seite des Pulserhebels eine Grundlast in den Pulserhebel einleitet, die durch die nachfolgend näher beschriebene Umformung in die dynamische Prüflast umgewandelt wird.
• Der Pulserhebel stützt sich im Betrieb über ein Stützlager schwenkbar an dem Maschinenrahmen ab. Die Grundlast greift mit Abstand von dem Stützlager an dem Pulserhebel an und beaufschagt den Pulserhebel dadurch mit einem Drehmoment. An anderer Stelle, ebenfalls mit Abstand vom Stützlager, greift an dem Pulserhebel die Einspannvorrichtung an, die mit ihrem anderen Ende am Maschinengestell befestigt ist. Die Einspannvorrichtung hält dadurch den Pulserhebel fest und verhindert, dass das durch die Grundlast erzeugte Drehmoment den Pulserhebel um das Stützlager dreht. Hierdurch entsteht an der Einspannvorrichtung die Prüflast als Reactio auf die Grundlast.
• Um die Prüflast zeitlich schnell verändern zu können, besitzt der Pulser zwei bewegliche Stützlager und einen Stützlagerantrieb zum Bewegen der beweglichen Stützlager. Ein erstes Stützlager ist so angeordnet, dass es den Pulserhebel in einem ersten Bereich abstützt, zwischen dem Ort, an dem die Grundlast eingeleitet wird und der Prüflingsanbindung. Das andere Stützlager ist so angeordnet, dass es den Pulserhebel in einem zweiten Bereich abstützt, der außerhalb des besagten ersten Bereichs und außerhalb desjenigen Bereichs liegt, in dem die Grundlast eingeleitet wird. Die Stützlager sind beweglich und können dadurch zyklisch gegenläufig aktiviert und deaktiviert werden. Aufgrund dessen stützt in einer Phase des besagten Zyklus nur das dann aktivierte erste Stützlager den Pulserhebel gegenüber dem Maschinengestell ab. In einer anderen Phase des Zyklus stützt nur das dann aktivierte zweite Stützlager den Pulserhebel ab, aber an einer anderen Stelle. Dadurch wechselt der Hebelarm, mit dem die Grundlast momentan auf die Einspannvorrichtung für den Prüfling einwirkt. Die Grundlast wird dadurch in eine zeitlich wechselnde und damit dynamische Prüflast für den Prüfling umgewandelt.
• Der erfindungsgemäße Pulser hat gegenüber dem Stand der Technik erhebliche Vorteile:
  Maßgeblich für die Prüfkraft ist die Grundlast. Die Grundlast wird einmal aufgebracht und dann vorzugsweise für den gesamten Prüfzeitraum aufrechterhalten. Sie muss also nicht gepulst aufgebracht werden, was erheblich Energie spart. Die Grundlast wird erfindungsgemäß lediglich umgeformt, indem der Pulserhebel zyklisch an unterschiedlichen Stellen abgestützt wird und dadurch unterschiedlichen Drehmomenten unterworfen wird, die in Abhängigkeit von den Hebelverhältnissen unterschiedliche Prüfkräfte erzeugen.
• Energie ist lediglich zur Überwindung der Reibung aufzuwenden, die beim Bewegen der Stützlager nicht völlig vermieden werden kann. Darüber hinaus muss eine gewisse, vergleichsweise geringe Energie zum Ausgleich der wechselnden elastischen Verformungen aufgewandt werden, denen der Pulserhebel und die Stützlager unterworfen sind.
• Der bei der Erzeugung der Prüfkraft ohne ein Feder-Masse-System auskommende Pulser neigt darüber hinaus nicht zu Schwingungen und ist leicht zu steuern oder zu regeln.
• Zur Auslegung der einzelnen Merkmale, die die vom Anspruch 1 vorgegebene technische Lösung beschreiben, ist Folgendes anzumerken:
  Der Begriff „Maschinenrahmen” ist funktionsorientiert und damit weit auszulegen. Der Maschinenrahmen kann ein- oder mehrteilig sein. Es kann sich um ein flächiges Gebilde oder einen Rahmen im engeren Sinne handeln.
• Der Pulserhebel ist schwenkbar an dem Maschinenrahmen gehalten. Meist dient hierzu eine Hilfslagerung, die so ausgeführt ist, dass über sie zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinengestell in Wirkrichtung des Pulsers kein Drehmoment übertragen werden kann. Die Lagerung hält den Pulserhebel in einer ersten Richtung, die im Regelfall der Bewegungsrichtung der Stützlager entspricht, translatorisch unbeweglich fest. Demgegenüber kann er in einer Richtung senkrecht hierzu bewegt werden und ist daher schwenkbar.
• Die Einspannvorrichtung hält den Prüfling entweder unmittelbar oder mittelbar, z. B. mittelbar über einen Belastungswandler. Ein solcher Belastungswandler kann etwa dann zum Einsatz kommen, wenn der Prüfling nicht einer Prüflast in Gestalt von Zug- bzw. Druckspannung unterworfen werden soll, sondern z. B. in Gestalt einer Prüflast, bei der es sich um Torsion oder Biegung handelt.
• Als Einspannvorrichtung wird eine Vorrichtung bezeichnet, mittels derer der jeweilige Prüfling kraftschlüssig zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinenrahmen befestigt werden kann. Ausnahmsweise kann die Einspannvorrichtung auch zumindest teilweise in den Prüfling integriert sein, etwa wenn der Prüfling selbst endseitige Laschen aufweist, über die er mit dem Pulserhebel oder dem Maschinenrahmen verschraubt werden kann.
• Die Einspannvorrichtung ist vorzugsweise gelenkig an dem Pulserhebel angelenkt, so dass von dem Pulserhebel nur eine reine Zug- und Druckkraft auf die Einspannvorrichtung übertragen wird – gleichgültig ob der Prüfling selbst auf Zug, Druck, Schub, Biegung oder Torsion geprüft wird. Damit treten an der Einspannvorrichtung definierte Belastungsverhältnisse auf.
• Der Begriff „Belastungsorgan” bezeichnet im Regelfall einen Krafterzeuger, wie etwa einen Hydraulikzylinder, einen Gewindespannmechanismus oder eine Gewichtslast. Der Begriff beschreibt dann also eine Einrichtung, über die dauerhaft eine – vorzugsweise ganz oder im Wesentlichen konstante – Grundlast auf den Pulserhebel aufgebracht wird. Hieraus resultiert am Pulserhebel ein Drehmoment, das dazu genutzt werden kann, um durch Abstützung des Pulserhebels an unterschiedlichen Orten eine wechselnde, hohe Prüfkraft zu erzeugen.
• Ist das Belastungsorgan ein Hydraulikzylinder, dann ist es vorteilhaft, den Hydraulikzylinder mit einem Pulsationsdämpfer zu versehen, der derart ausgelegt ist, dass die auf den Pulserhebel aufgebrachte Kraft annähernd konstant ist.
• Ein „Stützlager” ist aktiviert, wenn es eine Kraft zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinengestell überträgt und deaktiviert, wenn es sich in einem Zustand befindet, in dem es keine Kraft zwischen den besagten Bauteilen überträgt. Die Stützlager werden, wie beschrieben, zyklisch gegenläufig aktiviert und deaktiviert.
• Natürlich können mehrere parallel wirkende erste und/oder zweite Stützlager vorgesehen sein, etwa eine Gruppe von ersten, gleichwirkenden Stützlagern und eine weitere Gruppe von zweiten, gegenläufig-gleichwirkenden Stützlagern.
• Die Stützlager sind vorzugsweise jeweils als ganze beweglich, im Regelfall so, dass sie durch Hin-und-Her-Bewegung aktiviert und deaktiviert werden können. Im Einzelfall kann es ausreichen, wenn nur ein Teil jedes Stützlagers beweglich ist, etwa weil die Stützlager nach Art eines Scherenhebers ausgebildet sind, deren Scherenarme jeweils an einem Ende translatorisch-ortsfest angelenkt sind.
• Wie im Anspruch beschrieben, stützt in einer ersten Phase des Zyklus nur das erste Stützlager den Pulserhebel in einem ersten Bereich gegenüber dem Maschinengestell ab. In einer späteren Phase des Zyklus stützt nur das zweite Stützlager den Pulserhebel ab, in einem zweiten Bereich, außerhalb des ersten Bereichs. Um das zu realisieren, ist der Pulser vorzugsweise so gestaltet, dass er zwei Hebelarme besitzt, die sich vom Befestigungspunkt der Einspannvorrichtung am Pulserhebel ausgehend in entgegengesetzte Richtungen erstrecken. Dabei ist jedem Hebelarm ein Stützlager zugeordnet.
• Weitere optionale Möglichkeiten, wie man den erfindungsgemäßen Pulser noch weiter verbessern kann, beschreiben die Unteransprüche, die nachfolgend näher erläutert werden.
• Gemäß Unteranspruch 2 ist es besonders günstig, wenn der Pulser Stützlager aufweist, die auf ihrer einen Seite an dem Pulserhebel abrollen und die auf ihrer anderen Seite an dem Maschinenrahmen abrollen. Das beidseitige Abrollen führt zu einer wesentlichen Reibungsverminderung.
• Dabei rollen die Stützlager jeweils auf einer Seite über eine Kante oder Wippe ab, die das Ende des das Stützlager einzwängenden Spalts zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinenrahmen bildet und die das Stützlager aktiviert oder deaktiviert.
• Stützlager, die hin und her über eine Kante abrollen, lassen sich sehr einfach und vor allem mittels einer sehr kurzhubigen und daher hohen Frequenzen zugänglichen Hin-und-her-Bewegung aktivieren und deaktivieren: Solange sich das Stützlager in einer Rollposition diesseits der Kante befindet, ist es zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinengestell eingezwängt und damit aktiviert. Rollt das Stützlager soweit ab, dass es die Kante überfährt, dann verliert es dadurch auf der der Kante zugewandten Seite seine Abstützung und wird somit deaktiviert.
• Eine Kante im Sinne der Erfindung muss nicht „scharfkantig” sein. Eine Kante kann einen Radius zur Abrundung des Übergangs zwischen den angrenzenden Flächen aufweisen. Rundungsradien unter 6 mm, besser unter 2 mm sind bevorzugt und markieren jedenfalls eine Kante.
• Anstelle einer Kante wird vorzugsweise eine Wippe verwendet. Eine Wippe hilft die andernfalls beim Überfahren der Kante auftretenden Spannungsspitzen zu vermeiden und beugt der Materialermüdung vor. Der Begriff der „Wippe” ist funktional zu verstehen. Es handelt sich um ein bewegliches Bauteil, das unter dem Einfluss der Kraft, mit dem sich das Stützlager auf ihm abstützt, von einer Stellung in eine andere Stellung kippt, sobald sich das Stützlager auf der Wippe über eine bestimmte, als „Soll-Kipppunkt” zu bezeichnende Position hinausbewegt hat. Durch das Kippen wird die Einzwängung des Stützlagers zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinengestell beendet und das Stützlager dadurch deaktiviert.
• Die sinngemäß gleiche Wirkung entfaltet die Wippe in umgekehrter Richtung.
• Der Unteranspruch 3 schlägt eine besonders günstige Ausgestaltungsmöglichkeit für die Wippe vor. Demnach weist die Wippe auf ihrer dem Ende des Spalts zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinenrahmen abgewandten Seite eine Kippsicherung auf. Diese verhindert, dass die Wippe unerwünscht in Richtung hin zu dem Stützlager kippt, wenn das Stützlager sich erstmals auf die Wippe bewegt und die Wippe noch nicht so weit überquert hat, dass der Soll-Kipppunkt für die Kippbewegung aus dem Spalt heraus erreicht ist.
• Der Unteranspruch 4 beschreibt eine besonders vorteilhafte Wippe. Die Wippe ist demgemäß als Kalottenlager ausgebildet, das bündig in die Lauffläche eingelassen ist, die beispielsweise am Maschinenrahmen für die Bewegung des Stützlagers ausgebildet ist. Das Kalottenlager wird später im Rahmen der Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben.
• Die Kippsicherung kann bei diesem Kalottenlager als Arm ausgeführt sein, der in eine komplementäre Ausnehmung z. B. am Maschinenrahmen eingreift.
• Der Unteranspruch 5 beschreibt eine bevorzugte Ausführungsform, bei der der erfindungsgemäße Pulser mit Stützlagern ausgerüstet ist, die jeweils zwei sich beim Bewegen des Stützlagers in eine Richtung gegenläufig drehende Wälzkörper aufweisen.
• Die Wälzkörper können z. B. jeweils ein Kugelausschnitt sein, werden aber vorzugsweise als Zylinderausschnitt bzw. Hohlzylinderausschnitt ausgeführt. Hierdurch wird die Hertz'sche Pressung herabgesetzt, weil sich zwischen dem Außenmantel eines Zylinderausschnitts und dem Pulserhebel bzw. dem Maschinenrahmen linienförmiger bzw. rechteckförmiger Kontakt einstellt, anstatt ein lediglich punktförmiger bzw. elliptischer Kontakt.
• Ein Wälzkörper rollt am Pulserhebel ab, der andere entgegensetzt drehend am Maschinenrahmen. Die einander zugewandten Seiten der Wälzkörper bilden vorzugsweise eine Pfanne oder Rinne, die eine Lagerachse aufnimmt, auf der die Wälzkörper gleiten. Hier findet Gleitreibung statt, aber an einem kleineren Durchmesser als im Abrollbereich an der Außenumfangsfläche der Wälzkörper, was energetisch günstiger ist.
• Die Abrollradien der Wälzkörper können bei einer solchen Gestaltung wesentlich größer gestaltet werden als bei einem Wagen mit konventionellen Rädern. Das verringert den Wälzwiderstand und die langfristig zur Materialermüdung führende Hertz'sche Flächenpressung.
• Ein so gestaltetes Stützlager kann mit einem sehr kurzen Hub aktiviert und deaktiviert werden.
• Gemäß dem Unteranspruch 6 ist es besonders vorteilhaft, wenn das jeweilige Stützlager als Spreizer gestaltet ist und eine Keilwirkung, beispielsweise nach dem Prinzip des Scherenhebers, zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinenrahmen entfaltet, wenn es in den Spalt zwischen diesen gezwängt wird.
• Auch ein Stützlager aus den zuvor beschriebenen Wälzkörpern erfüllt diesen Unteranspruch.
• Weitere Wirkungen, Vorteile und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren.
• FIGUREN
• Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pulsers in Neutralstellung
• Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pulsers in Neutralstellung
• Die 3 zeigt den Pulser gem. 1 in einer Phase des Arbeitszyklus, in der das Stützlager 5 deaktiviert und das Stützlager 4 aktiviert ist, so dass die momentan an der Einspannvorrichtung auftretende Prüflast eine Zugkraft ist.
• Die 4 zeigt den Pulser gem. 1 in einer Phase des Arbeitszyklus, in der das Stützlager 5 wieder aktiviert und nun das Stützlager 4 deaktiviert ist, so dass die momentan an der Einspannvorrichtung auftretende Prüflast eine Druckkraft ist.
• Die 5 veranschaulicht die in etwa dem Prinzip des Scherenhebers entsprechende Keilwirkung, die ein Stützlager beim Wiedereinführen in den Spalt zwischen dem Pulserhebel und z. B. dem Maschinenrahmen entfaltet.
• Die 6 zeigt eine die Kante zu Aktivierung und Deaktivierung eines Stützlagers ersetzende Wippe in Gestalt eines Kalottenlagers.
• FIGURENBESCHREIBUNG
• Grundlegendes zum Aufbau und zur Funktionsweise des erfindungsgemäßen Pulsers
• Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pulsers 100.
• Der Pulser 100 umfasst den nur schematisch gezeigten Maschinenrahmen 1, den Pulserhebel 2 und die schematisch dargestellte Einspannvorrichtung 3 mit dem hier nicht näher bezeichneten Prüfling P.
• Zu dem Pulser 100 gehören darüber hinaus die Stützlager 4 und 5. Jedes der Stützlager besteht hier aus einer Stützlagerachse 6 und zwei auf der Stützlagerachse gleitenden und an dem Maschinengestell bzw. dem Pulserhebel 2 abwälzenden Wälzkörpern 7, 8. Die Wälzkörper sind vorzugsweise jeweils als Hohlzylinderabschnitt ausgeführt, dessen gedachte Längsachse senkrecht zur Zeichenebene der 1 verläuft. Sie haben im Querschnitt an dessen Außenseite vorzugsweise eine 1/3-kreisförmige bis 1/5-kreisförmige Gestalt.
• Darüber hinaus gehören zu dem Pulser der Stützlagerantrieb 9 und das lediglich abstrakt durch einen Punkt symbolisierte Belastungsorgan 10.
• Der Pulserhebel 2 ist über das Hilfslager 11 an dem Maschinenrahmen 1 befestigt. Das Hilfslager 11 verhindert, dass sich der Pulserhebel 2 translatorisch in Richtung des Pfeils BS bewegen kann, der die spätere Bewegungsrichtung der Stützlager 4 und 5 anzeigt. Der Pulserhebel bleibt jedoch in Richtung quer zu dem Pfeil BS am Hilfslager 11 schwenkbar.
• Eine solche Lagerung ist notwendig, weil der Pulserhebel 2 durch die Verformung des Prüflings eine geringe Schrägstellung erfährt. Diese führt zu einer Kraftkomponente in waagerechter Richtung, weshalb der Pulserhebel 2 an einer Bewegung in waagerechter Richtung gehindert werden muss.
• Die 1 zeigt den Pulser 100 in Neutralstellung, d. h. in einer Stellung, in der der Prüfling P nicht belastet ist und daher problemlos ein- und ausgebaut werden kann. Diese Neutralstellung zeichnet sich dadurch aus, dass der Pulserhebel 2 durch beide Stützlager 4 und 5 gegenüber dem Maschinenrahmen 1 abgestützt wird.
• Um mit dem Prüfen zu beginnen, wird über das Belastungsorgan 10 eine vorzugweise konstante Grundlast auf den Pulserhebel 2 aufgebracht, am besten an dessen einem Ende. Die Grundlast wird in 1 durch den Kraftpfeil F symbolisiert.
• Hierdurch entsteht an dem Pulserhebel 2 ein Drehmoment, das den Pulserhebel 2 tendenziell im Gegenuhrzeigersinn um seinen Auflagerpunkt 12a am Stützlager 4 dreht. Dass es zu einer solchen Drehung kommt, wird dadurch verhindert, dass der Pulserhebel 2 in diesem Moment noch über das Stützlager 5 gegen den Maschinenrahmen 1 abgestützt ist, wo als Reaktionskraft die Kraft F2 auftritt. Der Prüfling wird daher momentan noch nicht oder zumindest nicht wesentlich belastet.
• Nun wird der später noch näher zu erläuternde Stützlagerantrieb 9 angefahren. Es sei unterstellt, dass er die Stützlagerachsen 6 verbindende Verbindungsstange 13 der Stützlager 4 und 5 zunächst nach links zieht, in die von 3 gezeigte Stellung. Diese translatorische Bewegung der Verbindungsstange 13 und der mit ihr verbundenen Stützlagerachsen 6 erzwingt, dass sich am Stützlager 4 der erste Wälzkörper 7 am Maschinenrahmen in Richtung des Pfeils W7 abwälzt und der zweite Wälzkörper 8 eine gegenläufige Drehbewegung ausführt, indem er am Pulserhebel in Richtung des Pfeils W8 abwälzt, so wie das die 3 zeigt.
• Das Stützlager 4 wird dadurch tiefer in den Spalt zwischen dem Maschinenrahmen 1 und dem Pulserhebel hineinbewegt, vorzugsweise ohne dass dies besonderen Kraftaufwand erfordert, da seine Bewegung die Spalthöhe nicht ändert, weil von dem voll im Spalt befindlichen Stützlager keine Keil- bzw. Spreizwirkung mehr ausgeht – die Wälzkörper und die Lagerachse sind vorzugsweise jeweils so gestaltet, dass sich der effektive Durchmesser des jeweils so gebildeten Stützlagers 4, 5 nicht ändert, wenn die Wälzkörper 7, 8 im Spalt zwischen dem Pulserhebel und dem Maschinenrahmen abwälzen, solange das Stützlager 4, 5 vollständig vom Spalt aufgenommen ist, vgl. hierzu auch 6.
• Auf die gleiche Art und Weise wird das Stützlager 5 aus dem Spalt zwischen dem Maschinenrahmen 1 und dem Pulserhebel 2 herausbewegt: Der Wälzkörper 7 rollt über das Ende seiner Laufbahn am Maschinenrahmen, das beispielsweise durch die Kante 14 markiert wird, hinaus. Das Stützlager 5 ist dann nicht mehr länger zwischen dem Maschinenrahmen und dem Pulserhebel eingezwängt und daher deaktiviert.
• Da das Stützlager 5 nun keine Kraft mehr auf den Pulserhebel ausüben kann, muss die Einspannvorrichtung die Last bzw. Kraft FP1 aufbringen, die den Pulserhebel daran hindert, unter dem Einfluss der Grundlast F im Gegenuhrzeigersinn um den Auflagepunkt 12a am Stützlager 4 zu drehen.
• Als nächstes kehrt sich die Bewegung der Verbindungsstange 13 um, sie bewegt sich nun von links nach rechts. Dadurch wird das Stützlager 5 zunächst wieder in den Spalt zwischen dem Maschinenrahmen und dem Pulserhebel hineingewälzt und dadurch aktiviert. Hierbei entfaltet das Stützlager eine starke Keilwirkung, bis es die Kante 14 wieder spalteinwärts überrollt hat. Es hebt den Pulserhebel dadurch an und schafft sich selbst die nötige Spalthöhe, die es braucht, um wieder in den Spalt hineinzurollen.
• Warum eine solche Keilwirkung zustande kommt, veranschaulicht die 5:
  Die Wälzkörper 7, 8 des betreffenden Stützlagers liegen mit ihren Abwälzpunkten AWP1 und AWP2 so an den Gegenflächen an, dass sich ein Keileffekt ergibt, wie er ähnlich bei einem Scherenheber genutzt wird – ein solcher Scherenheber weist Scherenglieder auf, die durch eine annähernd senkrecht zur Längsachse der Scherenglieder angreifende Kraft aus einer relativ zueinander leicht V-förmig angewinkelten Stellung in eine durchgestreckte Stellung gebracht werden.
• Die Stützlager 4, 5 sind dabei so angeordnet bzw. ausgelegt, dass der Pulserhebel 2 dadurch eine (kurze) Zeit lang wieder von beiden Stützlagern gemeinsam abgestützt wird. So wird eine undefinierte Bewegung/Belastung des Pulserhebels ausgeschlossen, wie sie aufträte, wenn der Pulserhebel zeitweilig durch keines der Stützlager abgestützt würde.
• Daran anschließend wird das Stützlager 4 im weiteren Verlauf dieser Bewegung der Verbindungsstange 13 aus dem Spalt herausgewälzt, so dass die Stange nun nur noch von dem Stützlager 5 abgestützt wird.
• Das führt zu der von 3 gezeigten Situation: Der Pulserhebel hat nun die Tendenz, unter dem Einfluss der im Regelfall nach wie vor unverändert wirkenden Grundlast F im Uhrzeigersinn um den Auflagerpunkt 12b am Stützlager 5 zu drehen. Hieran wird der Pulserhebel von der mit dem Prüfling bestückten Einspannvorrichtung gehindert, so dass als Reactio an der Einspannvorrichtung die Last bzw. Kraft FP2 entsteht, die sich zumindest in ihrer Wirkrichtung von der zuvor wirkenden Last bzw. Kraft FP1 unterscheidet.
• Unmittelbar danach wiederholt sich der Zyklus von Neuem, vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 25 Hz, besser mit einer Frequenz von mehr als 50 Hz, um die hohen Lastspielzahlen im Bereich von 10⁶ oder 10⁷ Lastwechseln in angemessener Zeit zu erreichen.
• Auf diese Art und Weise wird die ganz oder im Wesentlichen statische Grundlast F zu einer dynamischen Prüflast FP(t) umgeformt.
• Wie man gut anhand der 1 sieht, gibt die Einspannvorrichtung mit ihren Befestigungspunkten am Pulserarm und am Maschinenrahmen die Kraftwirkungslinie KW vor. Der Abstand der Stützlager von der Kraftwirkungslinie KW, d. h. l₁ und l₂, muss nicht gleich sein. Ist eine gleich große Druck- und Zugkraft bzw. -last auf den Prüfling erwünscht, muss gelten: l₂ = l_o × l₁/(l_o – 2 × l₁)
• Somit muss bei l_o = 500 mm und l₁ = 20 mm die Länge l₂ = 21,7 mm betragen.
• Der Pulser muss, um mit anderen Pulserarten konkurrieren zu können, mit hoher Frequenz betrieben werden. Dadurch entstehen bei der Hin-und-her-Bewegung der Stützlager 4, 5 infolge der Massenträgheit der Stützlager, der Verbindungsstange 13, des Ausgleichspleuels 16 und der Kröpfung 15 der Kurbelwelle große Kräfte. Am Pulser äußern sich diese Kräfte primär als hohe Horizontalkräfte, die eine aufwendige Verankerung des Pulsers erfordern. Es genügt aber nicht, die horizontalen Massenkräfte auszugleichen. Es dürfen vielmehr auch keine nennenswerten, unausgeglichenen vertikalen Massenkräfte auftreten, weil der Pulser sonst „springt”.
• Der erforderliche Massenausgleich wird über ein Ausgleichspleuel 16 erreicht, das über eine Gegenkröpfung 17 der Kurbelwelle bewegt wird. Am Ende des Ausgleichpleuels 16 ist eine massenmäßig der Verbindungsstange 13 und den Stützlagern entsprechende Ausgleichsmasse 18 anzubringen.
• Idealerweise ist der Massenausgleich so gestaltet, dass das Pleuel und Ausgleichspleuel 16 – anders als bei einem Boxermotor – in dieselbe Richtung weisen, was erheblich an Bauraum spart.
• Um auch andere Belastungssituationen darstellen und beispielsweise vom Druck- in den Zugschwellbereich und in den Wechsellastbereich wechseln zu können, muss der Kurbeltrieb insgesamt verschiebbar sein. Zu diesem Zweck ist ausweislich der 1 ein in der Richtung, in die die Stützlager bewegt werden, hin und her verschiebbares Kurbelwellengrundlager 26 vorgesehen bzw. der Stützlagerantrieb ist als Ganzer entsprechend verschiebbar und wieder festsetzbar.
• Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Pulsers
• Kröpfung des Pulserhebels
• Wird der Hebel derart gekröpft ausgeführt, dass der Punkt, an dem die Prüflast FP in die Einspannvorrichtung 3 eingeleitet wird, und die Mittelpunkte M1, M2 der Stützlager 4, 5 in einer Linie liegen, dann wirkt auf die Einspannvorrichtung bei Beginn der Belastung eine senkrecht zu der besagten Linie wirkende Kraft, die auch bei Belastung nur geringfügig hiervon abweicht, weil die Verformung des Prüflings normalerweise sehr klein ist, vgl. 1.
• Ausgestaltung der Kanten
• Zweckmäßigerweise ist die Kante, die die Laufbahn eines Stützlagers im Spalt zwischen dem Maschinenrahmen und dem Pulserhebel begrenzt, nicht derart rechtwinklig ausgeführt, wie das die 3 zeigt. Besser ist es, die Kante als eine Kante auszuführen, über die die Laufbahn des Stützlagers in eine Schräge S1 bzw. S2 übergeht, so, wie das die 1 zeigt. Letztere dient als „Einführhilfe”, wenn das deaktivierte Stützlager 4 bzw. 5 wieder aktiviert, d. h. in den Spalt eingeschoben bzw. hineingerollt werden soll.
• Die Schrägen S1 bzw. S2 dürfen nicht zu flach sein, denn das würde den Weg zu lang werden lassen, um den die Stützlager 4, 5 hin und her bewegt werden müssen, um sie zu aktivieren und zu deaktivieren. Die Schrägen S1 und S2 sollten stattdessen so stark gegenüber der Ebene der jeweiligen Laufbahn abfallen, dass das betreffende Stützlager innerhalb 1,5 mm, besser innerhalb 0,75 mm nach dem Überfahren der Schräge S1 bzw. S2 vollständig deaktiviert ist, obwohl es sich im Zuge seiner Entspannung naturgemäß elastisch längt, durch Wegfall der Druckspannung im Stützlager selbst, aber auch durch Entfallen der Abplattungen im Bereich der Hertz'schen Pressungen.
• Damit die Flächenpressung beim Überfahren der Kante 14 nicht zu groß wird, muss die Kante 14 abgerundet werden. Dies vergrößert den Weg, um den die Stützlager hin und her bewegt werden müssen, um einen Lastwechsel darzustellen.
• Idealerweise ist die Kante 14 an einem austauschbaren Einsatz 19 ausgebildet, der sich in den Maschinenrahmen oder den Pulserhebel einlegen lässt, so wie von 3 für den Maschinenrahmen 1 illustriert. Der Einsatz 19 mag ein Verschleißteil darstellen, das regelmäßig gewechselt werden kann, wenn im Bereich der Kante 14 Materialermüdung auftritt, ohne den Maschinenrahmen selbst erneuern zu müssen.
• Verwendung von Wippen
• Die 6 zeigt eine erfindungsgemäße Wippe 20, die anstelle einer von den Stützlagern 4, 5 zu überfahrenden Kante 14 zum Einsatz kommt. Die Wippe 20 ist hier als Kalottenlager ausgebildet, das bündig in die Lauffläche eingelassen ist, die beispielsweise am Maschinenrahmen 1 für die Bewegung des Stützlagers 4, 5 ausgebildet ist.
• Das Kalottenlager besteht aus einem Lagerkörper 21, der eine befahrbare Oberfläche 22 und an der Unterseite eine ganz oder bereichsweise konvexe Lagerfläche 23 aufweist. Die konvexe Lagerfläche 23 liegt beweglich in einer komplementären, konkaven Lageraufnahme 24. Spannungsspitzen, wie sie beim Überfahren oder Überrollen einer Kante auftreten, werden so vermieden.
• In 5 steht das Stützlager 5 genau über dem Kipppunkt der Wippe bzw. des Lagerkörpers 21 – die Mittellinien des Stützlagers und des Lagerkörpers fallen exakt zusammen. Es leuchtet ein, dass der gesamte Lagerkörper 21 eine Kippbewegung im Gegenuhrzeigersinn ausführt, sobald das Stützlager noch ein kleines Stück weit nach links bewegt wird.
• Die Kippsicherung kann bei diesem Kalottenlager als Arm 25 ausgeführt sein, der in eine komplementäre Ausnehmung z. B. am Maschinenrahmen 1 eingreift. Solange sich das Stützlager auf der spalteinwärtigen Hälfte des Lagerkörpers 21 abstützt, verhindert der Arm 25 ein Kippen des Lagerkörpers 21 im Uhrzeigersinn.
• Gegenläufig bewegter Hilfsrahmen
• Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, dass im Wesentlichen genauso funktioniert, wie das bis jetzt beschriebene Ausführungsbeispiel, so dass das hierfür Gesagte auch für dieses zweite Ausführungsbeispiel gilt, solange sich aus der nachfolgenden Erörterung der Unterschiede nichts anderes ergibt.
• Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Laufflächen für die dem Pulserhebel 3 zugeordneten Stützlager 4, 5 nicht am ortsfesten Maschinenrahmen 1 ausgebildet, sondern an einem ebenfalls relativ zu dem Pulserhebel 3 translatorisch verschiebbaren Hilfsrahmen 27, der seinerseits einen weiteren Teil des Pulsers bildet. Der Hilfsrahmen ist so angetrieben, dass er sich translatorisch-gegenläufig zu der translatorischen Bewegung der Mittelpunkte der Stützlager 4, 5 bewegt. Hierdurch vergößert sich die maximal mögliche Verformung des Prüflings.
• Um bei dieser Konstruktion auf einfache Art und Weise einen Massenausgleich zu realisieren, ist es vorteilhaft den Hilfsrahmen 27 selbst als Ausgleichsgewicht zu nutzen. Zu diesem Zweck wird der Hilfsrahmen 27 mit dem Ausgleichspleuel 16 verbunden. Idealerweise wird der Hilfsrahmen so ausgelegt, dass seine Masse der Masse entspricht, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel gem. 1 die Ausgleichsmasse 18 besitzt.
• Um bei diesem Ausführungsbeispiel gem. 2 den Übergang von Zug- auf Druck- und Wechsellast zu ermöglichen, muss nicht das Kurbelwellengrundlager 26 verschoben werden. Stattdessen ist hier der Angriffspunkt 28 des Ausgleichspleuels 16 in und entgegen der Bewegungsrichtung der Stützlager verschiebbar ausgeführt. Hierzu ist vorteilhafterweise eine Spindel 29 vorgesehen.
• Alternativ könnte hier zum Zwecke der extern gesteuerten Verstellbarkeit ein Hydraulikzylinder zum Einsatz kommen.
• Bezugszeichenliste

100

Pulser

1

Maschinenrahmen

2

Pulserhebel

3

Einspannvorrichtung

4

Stützlager

5

Stützlager

6

Stützlagerachse

7

erster Wälzkörper

8

zweiter Wälzkörper

9

Stützlagerantrieb

10

Belastungsorgan

11

Hilfslager

12a

Auflagerpunkt

12b

Auflagerpunkt

13

Verbindungsstange

14

Kante

15

Kröpfung der Kurbelwelle

16

Ausgleichspleuel

17

Gegenkröpfung der Kurbelwelle

18

Ausgleichsmasse

19

austauschbarer Einsatz zur Verwirklichung einer austauschbaren Kante

20

Wippe

21

Lagerkörper

22

befahrbare Oberfläche

23

konvexe Lagerfläche

24

Lageraufnahme

25

Arm zur Kippsicherung

26

Kurbelwellengrundlager

27

Hilfsrahmen

28

Angriffspunkt des Ausgleichspleuels

29

Spindel zur Verstellung des Angriffspunktes

P

Prüfling

BS

Bewegungsrichtung Stützlager

F

Grundlast

F2

Reaktionskraft

W7

Wälzrichtung des Wälzkörpers 7

W8

Wälzrichtung des Wälzkörpers 8

FP1

Prüflast zu einem ersten Zeitpunkt

FP2

Prüflast zu einem zweiten Zeitpunkt

KW

Kraftwirkungsline

M1

Mittelpunkt der Stützlager

M2

Mittelpunkt der Stützlager

S1

Schräge

S2

Schräge

Claims (11)

1. Pulser (100) zur dynamischen Beaufschlagung eines Prüflings (P) mit einer Prüflast (FP1, FP2) – mit einem Maschinenrahmen (1), – einem Pulserhebel (2), der an dem Maschinenrahmen (1) schwenkbar gehalten ist, – sowie einer Einspannvorrichtung (3), mittels derer ein Prüfling (P) zwischen dem Pulserhebel (2) und dem Maschinenrahmen (1) kraftschlüssig festgehalten wird und über die der Prüfling (P) im Betrieb mit einer dynamischen Prüflast (FP1, FP2) beaufschlagt wird, – und einem Belastungsorgan (10), das im Betrieb auf einer Seite des Pulserhebels (2) eine Grundlast (F) in den Pulserhebel (2) einleitet, – sowie einem aktiven Stützlager (4, 5), das den Pulserhebel (2) im Betrieb so gegen den Maschinenrahmen (1) abstützt, dass die besagte Grundlast (F) ein Drehmoment an dem Pulserhebel (2) erzeugt, welches an der Einspannvorrichtung (3), die dieses Drehmoment auffängt, zu einer entsprechenden Gegenlast in Gestalt der besagten Prüflast (FP1, FP2) führt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Pulser (100) zwei bewegliche Stützlager (4, 5) aufweist – sowie einen Stützlagerantrieb (9) zum Bewegen der beweglichen Stützlager (4, 5), – wobei ein erstes Stützlager (4) den Pulserhebel (2) in einem ersten Bereich abstützt, der zwischen dem Ort liegt, an dem die Grundlast (F) eingeleitet wird und der Anbindung der Einspannvorrichtung (3) am Pulserhebel (2), und das andere Stützlager (5) den Pulserhebel (2) in einem zweiten Bereich außerhalb des ersten Bereichs abstützt, – und die Stützlager (4, 5) derart ausgestaltet sind, dass sie durch die ihnen vom Stützlagerantrieb (9) aufgezwungene Bewegung gegenläufig aktiviert und deaktiviert werden.
2. Pulser (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulser (100) Stützlager (4, 5) aufweist, die auf ihrer einen Seite an dem Pulserhebel (2) abrollen und die auf ihrer anderen Seite an dem Maschinenrahmen (1) abrollen, wobei die Stützlager (4, 5) jeweils auf einer Seite über eine Kante (14) oder Wippe (20) abrollen, die das Stützlager (4, 5) aktiviert oder deaktiviert.
3. Pulser (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wippe (20) auf ihrer dem Ende des Spalts zwischen dem Pulserhebel (2) und dem Maschinenrahmen (1) abgewandten Seite eine Kippsicherung aufweist, die verhindert, dass die Wippe (20) kippt, wenn das Stützlager (4, 5) sich auf die Wippe (20) bewegt.
4. Pulser (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wippe (20) als Kalottenlager ausgebildet ist und vorzugsweise eine Kippsicherung in Gestalt eines Stützarms (25) aufweist.
5. Pulser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützlager (4, 5) zwei sich beim Bewegen des Stützlagers (4, 5) gegenläufig drehende, vorzugsweise als Zylinderausschnitt gestaltete Wälzkörper (7, 8) aufweist, die vorzugsweise zwischen sich eine Stützlagerachse (6) einschließen.
6. Pulser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützlager (4, 5) als Spreizer gestaltet sind, die eine Keilwirkung zwischen dem Pulserhebel (2) und dem Maschinenrahmen (1) entfalten, wenn sie in den Spalt zwischen diesen gezwängt werden.
7. Pulser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulserhebel (2) an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Prüflingsanbindung in versetzten Ebenen angeordnete Hebelarme aufweist.
8. Pulser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Stützlager (4, 5) senkrecht zu deren Achse (6) und senkrecht zu der Kraftwirkungslinie (KW) stattfindet, entlang derer die Prüfkraft an die Prüflingsanbindung abgegeben wird.
9. Pulser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gegenläufige aktivierte und deaktivierte Stützlager (4, 5) über eine gemeinsame Stange (13) von dem Stützlagerantrieb (9) bewegt werden.
10. Pulser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützlagerantrieb einen Kurbeltrieb umfasst.
11. Pulser (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kurbeltrieb ein vorzugsweise vollständiger Massenausgleich vorgesehen ist, indem, um 180° versetzt zum Pleuelangriffspunkt an der Kurbelwelle, ein Ausgleichspleuel (16) an der Kurbelwelle angelenkt ist, und am anderen Ende des Ausgleichspleuels (16) eine Masse (18), die der Masse der beweglichen Stützlager (4, 5) und deren Verbindungsstange (13) entspricht, dabei ist es idealerweise so, dass Pleuel und Ausgleichspleuel (16) – anders als bei einem Boxermotor – in dieselbe Richtung weisen, wobei es besonders günstig ist, wenn zwecks Änderung der Mittellast das Kurbelwellengrundlager mittels einer Spindel oder eines Hydraulikzylinders verschiebbar ist oder stattdessen der Angriffspunkt (28) des Pleuels am Antrieb bzw. an der Verbindungsstange (13) für die Stützlager (4, 5) verschiebbar ist, vorteilhafterweise mit Hilfe einer Spindel (29) oder eines Hydraulikzylinders.

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