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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Kreuzblattfedergelenke gemäß [1] werden für die elastisch drehbare Lagerung von Teilen verwendet, die im Betrieb nur um kleine Winkel gedreht werden sollen.
Diese Lager sind frei von Lagerspiel und -reibung.
Bei geringer Materialdämpfung haben sie eine geringe Hysterese.
Je nach Auslegung gibt es einen bestimmten Winkelbereich, in welchem sie dauerfest betrieben werden können.
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Die Drehachse des Kreuzblattfedergelenkes liegt dort, wo sich die Mittelebenen der Blattfedern im unverformten Zustand kreuzen.
Jede Blattfeder für sich hätte aber die gleiche Drehachse, wenn sie einseitig eingespannt durch ein reines Biegemoment belastet würde.
Anders gesprochen wird eine Blattfeder dann durch reine Biegung belastet, wenn ihre eingespannten Enden gegensinnig auf einer Kreisbahn um diese Drehachse geführt werden. Sie wird im Weiteren als Drehachse einer reinen Biegebelastung bezeichnet.
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Die kreuzförmige Anordnung der Blattfedern beim Kreuzblattfedergelenk mit ihrer paarweise starren Verbindung der Blattfederenden ist eine einfache Möglichkeit den Blattfedern die Kinematik einer Drehbewegung vorzuschreiben.
Jede Kraft, die exzentrisch auf die drehende Verbindung der Blattfedern einwirkt, lässt sich zunächst durch eine gedachte Verschiebung in eine zentrische Kraft und ein Versatzmoment aufteilen und die verschobene Kraft dann wiederum in je eine Komponente in Richtung der sich kreuzenden Blattfedern.
Zwar bedeutet die Zugbelastung der einen Blattfeder oder des einen Blattfederpaares eine Querkraftbelastung der kreuzenden Blattfeder oder des kreuzenden Blattfederpaares, aber die im Vergleich zur Querkraftbiegesteifigkeit hohe Axialsteifigkeit der Blattfedern dominiert und begrenzt die Verschiebung der Drehachse des Gelenkes.
Die Querkraftbiegung der Blattfedern wird vernachlässigbar, aber ihre Axialbelastung bleibt zu berücksichtigen.
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Wenn man voraussetzt, dass sich die Blattfedern jeweils auf halber Länge kreuzen, dann würde sich die Drehachse auch dann nicht verschieben, wenn die Blattfedern eine unterschiedliche Biegesteifigkeit besitzen würden, sei es durch unterschiedliche Länge, Breite oder Dicke.
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Im Weiteren wird anstelle von einer Blattfeder von einer balkenförmigen Drehfeder gesprochen. Der Balken steht dabei definitionsgemäß für seine mechanische Biegebeanspruchung, die Drehfeder bezieht sich auf die Kinematik, also die zuvor beschriebene reine Biegung um eine Drehachse.
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Ein Balken muss keinen rechteckigen Querschnitt haben.
Er kann z. B. auch U-förmig sein.
Wenn der rechteckige Balken durch ein reines Biegemoment belastet wird, dann ertragen die äußerste Zug- und Druckfaser Spannungen des gleichen Betrages.
Die biegeneutrale Faser liegt in der Mitte davon.
Wenn das U-Profil durch ein reines Biegemoment belastet wird, haben die offenen Enden des Profilquerschnitts einen größeren Abstand zur biegeneutralen Faser als die gegenüberliegende geschlossene Seite und die Spannungen sind dort höher.
Ein Zugspannungsanteil ist dem Biegespannungsverlauf über der Höhe des U-Profils überlagert, für den sich keine äußere Zugbelastung verantwortlich zeichnet.
Um einen vergleichbaren Zugspannungsanteil im Rechtecksquerschnitt zu erhalten, ist eine äußere Zugbelastung erforderlich.
Zum leichteren Verständnis wird im Weiteren davon ausgegangen, dass die balkenförmige Drehfeder einen rechteckigen Querschnitt hat.
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In [3] werden Prüfvorrichtungen vorgestellt, die sich auf [2] zurückführen lassen.
Sie ermöglichen es, die Biegebelastung einer Werkstoff- oder Bauteilprobe im Rahmen einer Resonanzschwingung zu erzeugen.
An jedem Ende der Probe ist eine starre Taumelscheibe befestigt.
Diese Einheit von Probe und Taumelscheiben ist elastisch so aufgehängt, dass sie mehr oder weniger frei von Reaktionskräften schwingen kann.
Elektromagnete und Magnetanker auf den Scheiben ziehen sich gegenläufig mit Resonanzfrequenz an, so dass die Probe in Eigenschwingung wie eine balkenförmige Drehfeder beansprucht wird.
Die Anregung in einer Ebene führt zu einer wechselnden Biegung, die phasenverschobene Anregung in mehreren Ebenen zu einer umlaufenden Biegung.
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Bei der Resonanzprüfvorrichtung [4] wird die Biegebelastung durch die Resonanzschwingung einer Schwungscheibe erzeugt, die über eine Torsionsstabfeder mit dem Maschinengehäuse verbunden ist.
Die Torsionsstabfeder ist ein zweites Mal mit dem Gehäuse verbunden und zwar mittels Kugellager, drehbar nahe der Schwungscheibe gelagert.
Auf der Schwungscheibe befindet sich die Einspannung für das eine Ende der Probe. Wiederum am Maschinengehäuse befindet sich die Einspannung für das andere Ende der Probe.
Die Einspannungen befinden sich im gleichen Abstand zur Drehachse der Schwungscheibe, so dass diese Drehachse mit der Drehachse einer reinen Biegebelastung der Probe übereinstimmt.
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Nach dem Einspannen der Probe lässt sich das gehäuseseitige Ende der Torsionsstabfeder für eine schwellende Biegebelastung der Probe statisch vorspannen.
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Die Resonanzprüfvorrichtung gemäß [5] nutzt die erste ebene Biegeeigenschwingung eines geschlossenen Rahmens zur Erzeugung einer Biegebelastung des Prüflings.
Diese Eigenschwingform hat vier Knotenpunkte zwischen denen sich vier Rahmenseiten gegenüberliegend gegenläufig biegen.
Der Prüfling wird in einer Rahmenseite zwischen zwei benachbarten Knotenpunkten der Eigenschwingung eingespannt.
Der Prüfling lässt sich dazu statisch überlagert biegen, indem dem Rahmen ein einstellbarer Winkelversatz aufgeprägt wird.
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In [6] wird für einen prismatischen Prüfstab unter Wechselbiegung ein Übergangsradius zwischen Einspann- und Nennquerschnitt definiert, der sicherstellt, dass die Nennspannung dort am größten ist, wo eine Überlagerung von lokalen Spannungen, die von den Einspannkräften herrühren, abgeklungen ist.
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Nachteile des Standes der Technik
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Die Hauptträgheitsachsen der Taumelscheiben der in [3] beschriebenen Vorrichtungen befinden sich wie die Taumelscheiben selbst jeweils am Ende der Werkstoff- oder Bauteilprobe.
Die angeregte Eigenschwingform je Schwingungsebene bekommt dadurch zwei Drehachsen nahe den Hauptträgheitsachsen.
Die Probe wird also nicht nur durch ein Biegemoment belastet, sondern auch durch Querkräfte infolge der Trägheit der beschleunigten Massen von Probe und Taumelscheiben und in zweiter Ordnung durch Axialkräfte, wenn man die Axialverschiebungen der Enden der Probe infolge der Biegung berücksichtigt.
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Mit den Vorrichtungen gemäß [2] lässt sich keine relevante Biegemittelspannung einstellen. Statische elektromagnetische Kräfte fallen zu gering aus, weil der für die Schwingung erforderliche Magnetspalt zu groß ist.
Die Erzeugung einer Vorspannung mit Hilfe einer zusätzlichen Feder ist nicht vorgesehen und würde die statische Beanspruchung der Probe wegen eines Zugbelastungsanteils ungünstig beeinflussen.
Dadurch eignet sich die Vorrichtung nur zur Ermittlung der Biegewechselfestigkeit, aber nicht der schwellenden Biegefestigkeiten.
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Die Prüffrequenz wird von der Steifigkeit der Probe und den Trägheitsmomenten der Taumelscheiben bestimmt.
Die Geometrie der Werkstoffprobe ist gewöhnlich per Norm und die der Bauteilprobe aus den Anforderungen an das Bauteil festgelegt.
Die Elektromagnete und Magnetanker haben ein Mindestgewicht.
Daraus ergeben sich Grenzen der erreichbaren Prüffrequenz.
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Bei der Vorrichtung gemäß [4] muss eine Torsionsstabfeder abgesehen von ihrer gehäuseseitigen Einspannung auch am anderen Ende auf Seite der Taumelscheibe gelagert werden, um die Anregung einer Biegeeigenschwingung im Betrieb zu verhindern und das System beim Einrichten zu stabilisieren.
An dieser Stelle befindet sich ein Kugellager, das die erforderliche Drehbewegung zulässt, aber radiale Verschiebungen verhindert.
Das Kugellager erzeugt Reibung, welche die Eigenschwingung dämpft.
Es ist spielbehaftet, was wegen der wechselnden Drehrichtung zu Klappern führen kann.
Es neigt bei kleinen wechselnden Drehbewegungen prinzipiell zur Grübchenbildung.
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Bei der Vorrichtung gemäß [4] übernimmt das Gehäuse die Funktion der Einspannung des Einmassenschwingers von Schwungscheibe und Torsionsstabfeder.
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Dafür ist es mit einem großen Trägheitsmoment versehen.
Dieses ist aber nicht groß genug, um eine gegenläufige Drehschwingung des Gehäuses ganz zu verhindern.
Deswegen steht das Gehäuse mit Gummifüßen federnd und dämpfend auf dem Fundament. Eine Hauptträgheitsachse des Gehäuses ist zwar parallel zur Drehachse der Biegeschwingung, aber mit einem gewissen Abstand dazu.
Daraus ergeben sich unerwünschte Querkräfte an den Lagern der Torsionsstabfeder.
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Eine Torsionsstabfeder erfordert bei gleichem Drehwinkel und gleicher Beanspruchung eine größere Stablänge als z. B. ein biegebeanspruchter Balken in der Funktion einer Drehfeder. Diese zusätzliche Länge ist mit Gewicht verbunden und macht das oben beschriebene weitere Lager erforderlich.
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Die Ebene der beiden Einspannflächen für die Probe hat bei der Vorrichtung gemäß [4] einen festen Abstand zur Drehachse der Torsionsstabfeder. Damit die Drehachse auf die biegeneutrale Faser der Probe bei reiner Biegebelastung fällt, wird jeweils ein passendes Distanzblech zwischen die Einspannflächen und die Probe gelegt. Wenn dieser Abstand damit nicht genau getroffen wird, entsteht eine zusätzliche Zugbelastung in der Probe, welche zudem eine radiale Kraft auf das Lager der Torsionsstabfeder darstellt. Proben sind mit Toleranzen behaftet, die in der Praxis beim Einspannen kaum durch Anpassen der Distanzbleche ausgeglichen werden.
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Die Schnittmomente der Biegeeigenschwingung des Rahmens gemäß [5] beanspruchen zuerst den Rahmen selbst.
Die Belastung der Probe erzeugen sie nur indirekt durch die Anordnung der Probe in einer Rahmenseite.
Die Nutzung der Trägheitsmomente für die Belastung der Probe ist gering.
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In [6] wird eine Probengeometrie definiert, die sich um eindeutige Biegespannungsverhältnisse an dem zu erwartenden Anrissort bemüht. Es wird keine Vorrichtung beschrieben, mit der die Biegebelastung erzeugt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine kleine und leichte Resonanzprüfvorrichtung für die wechselnde oder schwellende Biegebelastung einer Werkstoff- oder Bauteilprobe zu entwickeln, die keine Axial- oder Querkräfte in der Probe erzeugt, die nicht anfällig gegenüber der Anregung störender Eigenfrequenzen ist, bei der Maßtoleranzen der Probe nicht zu unerwünschten Axialbelastungen führen, die sich für eine hohe Eigen- bzw. Prüffrequenz, die wiederum nur wenig von der Steifigkeit der Probe beeinflusst wird, auslegen lässt, deren Lager mit kleinen Biegemomenten aber frei von Quer- und Axialkräften belastet werden und bei der die Belastung der Probe aus einer direkten Messung der Beanspruchung der Vorrichtung und der Betriebsfrequenz abgeleitet werden kann.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Anstelle eines geschlossenen Rahmens mit wechselnder Biegerichtung von einer zur nächsten Rahmenseite verformt sich nur eine einzige Drehfeder in Parallelschaltung zur Probe. Die Vorrichtung ist dadurch kleiner und leichter.
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Durch den höheren Grad der Werkstoffnutzung einer biegebeanspruchten Drehfeder gegenüber einer Torsionsfeder ist die Vorrichtung kleiner und leichter.
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Durch die Anordnung von Probe und Drehfeder in Form eines Kreuzblattfedergelenkes ist die Drehachse zur Erzeugung der Biegebelastung der Probe ohne weitere Lager festgelegt.
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Die Drehachse eines Kreuzblattfedergelenkes befindet sich dort, wo sich die biegeneutralen Fasern der kreuzenden Federn bei reiner Biegebelastung schneiden.
Wenn also die Probe die eine Blattfeder des Kreuzblattfedergelenkes bildet, liegt die Drehachse zwangsläufig in der biegeneutralen Faser für reine Biegung.
Kleinere Fehler bei der Wahl von Distanzblechen zwischen den Einspannflächen und der Probe werden daher ohne die Erzeugung von Axialkräften toleriert.
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In der Anordnung von Probe und Drehfeder in der Form eines Kreuzblattfedergelenkes stützen sich Probe und Drehfeder gegenseitig gegen Querverschiebungen, ehe sie gemeinsam in Parallelschaltung mit einem Trägheitskörper, der im Weiteren als zweiter Trägheitskörper bezeichnet wird, verbunden sind. Andere unerwünschte Eigenschwingformen als die zur Erzeugung der reinen Biegebelastung der Probe, wie zum Beispiel die einer Kragarm- oder S-Schlagbiegung werden damit verhindert.
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Dadurch, dass sich die Drehfeder in Parallelschaltung zur Probe befindet, kann die Eigenfrequenz der Vorrichtung über die Steifigkeit der Drehfeder erhöht werden.
Indem die Drehfeder deutlich biegesteifer als die Probe ausgelegt wird, wird die Eigenfrequenz zudem unempfindlich gegenüber Änderungen der Probensteifigkeit.
Proben verschiedener Geometrie lassen sich dadurch bei ähnlichen Betriebsfrequenzen prüfen. Ein fortschreitender Anriss in der Probe beeinflusst die Frequenz dann ebenfalls wenig.
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Dadurch, dass sich je eine der Hauptträgheitsachsen der beiden schwingenden Trägheitskörper auf der Drehachse der Biegeschwingung befindet, entsteht eine reine Biegebelastung sowohl der Probe als auch der Drehfeder.
Selbst bei ausgebauter Probe ändert sich bei dieser Auslegung der Trägheitskörper weder die Eigenschwingform der Vorrichtung noch verschiebt sich die Drehachse der Eigenschwingung.
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Durch die gegenseitige Stützwirkung von eingebauter Probe und Drehfeder schwingt die Vorrichtung aber schon mit dem ersten Anregungsimpuls um die gewünschte Drehachse.
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Indem auch der schwingend gelagerte Trägheitskörper, der im Weiteren als erster Trägheitskörper bezeichnet wird, mittels Drehfedern auf der gleichen Drehachse gelagert wird, auf der die beiden Trägheitskörper zueinander schwingen, werden Querkräfte in allen Drehfedern sowie in der Material- oder Bauteilprobe vermieden.
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Indem das Trägheitsmoment des schwingend gelagerten ersten Trägheitskörpers um ein Vielfaches größer als das des zweiten Trägheitskörpers gewählt wird, werden die Schwingung des ersten Trägheitskörpers und die dynamischen Lagerkräfte klein gehalten.
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Indem das Trägheitsmoment des schwingend gelagerten ersten Trägheitskörpers alternativ bis auf das des zweiten Trägheitskörpers reduziert wird, lässt sich die Eigenfrequenz weiter bis um den Faktor der Wurzel von Zwei bezogen auf eine Konfiguration mit fest eingespanntem ersten Trägheitskörper bzw. mit unendlich großem Trägheitsmoment des ersten Trägheitskörpers
steigern.
Das Gehäuse muss dafür wie zuvor beschrieben elastisch drehbar gelagert sein.
Je elastischer dieses Lagerung ist, desto geringer sind die dynamischen Lagerkräfte.
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Durch die Applikation von Dehnmessstreifen auf den Drehfedern des Kreuzblattfedergelenkes werden diese zum Sensor für die Messung der statischen und dynamischen Biegebelastung des Prüfkörpers.
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Der statische wie dynamische Kalibrierfaktor dieses Sensors hängt von der Steifigkeit der Material- oder Bauteilprobe ab.
Da sich diese Steifigkeit in der Betriebsfrequenz bemerkbar macht, lässt sich ein dynamischer Kalibrierfaktor als Funktion der Betriebsfrequenz in der Regelung implementieren, der alle möglichen Steifigkeiten der Material- oder Bauteilprobe berücksichtigt.
Dazu gehört auch eine Änderung der Steifigkeit z. B. infolge eines Anrisses.
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Beim Vorspannen ist die Eingabe der Probensteifigkeit zur Berechnung des statischen Kalibrierfaktors erforderlich. Sollte sie unbekannt oder schwer zu berechnen sein, kann sie in einem ersten Schwingversuch aus der Betriebsfrequenz abgeleitet werden.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
- 1 eine isometrische Darstellung der gesamten Resonanzprüfvorrichtung,
- 2 eine Schnittdarstellung von 1,
- 3 das Fundament und die Lager-Drehfedern als Verkörperung des ruhenden Trägheitsmomentes,
- 4 das auf dem Fundament drehbar schwingend gelagerte Gehäuse mit Elektromagneten als Verkörperung des einen schwingenden Trägheitsmomentes,
- 5 die Wippe mit den Magnetankern als Verkörperung des anderen schwingenden Trägheitsmomentes und
- 6 die Werkstoffprobe und Drehfedern in Kreuzblattfederanordnung als elastische Verbindung zwischen den beiden Trägheitskörpern.
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Die in 1 gesamt und in 2 im Schnitt dargestellte Prüfvorrichtung lässt sich mechanisch als Schwingsystem zweier starrer Trägheitskörper beschreiben, die über eine elastische Drehfeder miteinander verbunden sind und von denen einer mittels einer weiteren Drehfeder elastisch gehalten ist.
In den 3 bis 5 werden die starren Trägheitskörper getrennt dargestellt, in 6 die elastische Kreuzblattfederanordnung von Werkstoffprobe und Drehfedern, welche die Verbindung zwischen den beiden Trägheitskörpern herstellt.
Die Drehfedern zur elastischen Lagerung des ersten Trägheitskörpers sind in den 1 bis 4 erkennbar.
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In 3 wird die Grundplatte 1 gezeigt, welche als Fundament für die elastische Lagerung dient, und zwei Drehfedern 2, welche die elastische Lagerung übernehmen. Im Sinne des mechanischen Ersatzmodells hat das Fundament ein unendlich großes Trägheitsmoment.
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In 4 wird zusammenfassend dargestellt wie sich der elastisch drehbar gelagerte erste Trägheitskörper aus dem Gehäuse 3 mit zwei Elektromagneten 11 und einer Vorspannvorrichtung, bestehend aus einer Vorspannschraube 7 und einer Schaukel mit Speichen 6 und Sitz 5, zusammensetzt. Obwohl sich die Lager-Drehfedern 2 sowie die Materialprobe 9 und Drehfedern 8 in Kreuzblattfederanordnung elastisch verformen, sind sie ebenfalls dargestellt, teilweise in schwarzer Linie, weil diese Anteile bei der Auslegung des ersten Trägheitskörpers bezüglich Lage der Trägheitsachse berücksichtigt sind und teilweise in grauer Linie, wenn diese Anteile nicht zuzurechnen sind.
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In 5 wird zusammenfassend dargestellt wie sich der zweite Trägheitskörper aus einer Wippe 4 mit zwei Magnetankern 12 zusammensetzt.
Obwohl sich die Materialprobe 9 und Drehfedern 8 in Kreuzblattfederanordnung elastisch verformen, sind sie, wie zuvor beschrieben, ebenfalls dargestellt, teilweise in schwarzer Linie, weil diese Anteile bei der Auslegung des zweiten Trägheitskörpers bezüglich Lage der Trägheitsachse berücksichtigt sind und teilweise in grauer Linie, wenn diese Anteile nicht zuzurechnen sind.
Die Speichen 6 und der Sitz 5 der Schaukel der Vorspannvorrichtung sind ebenfalls in grau dargestellt, da sie dem Trägheitsmoment des zweiten Trägheitskörpers nicht zuzurechnen, aber in integralem Verbund mit den Drehfedern 8 gefertigt sind.
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Die Vorrichtung hat zwei Eigenfrequenzen. Nur die zweite Eigenfrequenz wird im Versuchsbetrieb angeregt.
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In n Eigenfrequenz, die im Ausführungsbeispiel bei 2 Hz liegt, schwingen das Gehäuse 3 und die Wippe 4 gleichgerichtet mit einer Wechselbiegung der Lager-Drehfedern 2 und quasi ohne Verformung von Materialprobe 9 und Drehfedern 8, welche das Gehäuse 3 und die Wippe 4 in Kreuzblattfederanordnung verbinden.
Die Schwingung vollführt eine Drehbewegung um die Drehachse 15.
Sie ist zugleich Drehachse einer reinen Biegebelastung der Lager-Drehfedern 2 und gemeinsame Hauptträgheitsachse der beiden Trägheitskörper gemäß 4 und 5.
Infolge dieses Zusammentreffens werden die Lager-Drehfedern 2 in der ersten Eigenfrequenz mit einem reinen Biegemoment ohne Zug- oder Querkräfte belastet.
Diese erste Eigenfrequenz wird im Versuchsbetrieb nicht angeregt.
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In der zweiten Eigenfrequenz, die im Ausführungsbeispiel bei 100 Hz liegt, schwingen die Wippe 4 und das Gehäuse 3 gegenläufig auf Kosten einer Wechselbiegung der Kreuzblattfederanordnung von Materialprobe 9 und Drehfedern 8, aber auch der Lager-Drehfedern 2.
Der erste Trägheitskörper gemäß 4 mit dem größeren Trägheitsmoment schwingt im Vergleich zum zweiten Trägheitskörper gemäß 5 mit dem kleineren Trägheitsmoment mit einer kleineren Amplitude.
Wie die erste Eigenfrequenz schwingt auch die zweite mit einer Drehbewegung um die Drehachse 15.
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Dort liegen zum einen, sowohl die Drehachsen einer reinen Biegebelastung der Lager-Drehfedern 2, als auch der Kreuzblattfederanordnung von Materialprobe 9 und Drehfedern 8 und zum anderen je eine Hauptträgheitsachse der beiden Trägheitskörper gemäß 4 und
5.
Infolge dieses Zusammentreffens werden sowohl die Lager-Drehfedern 2 als auch die Kreuzblattfederanordnung von Materialprobe 9 und Drehfedern 8 in der zweiten Eigenfrequenz jeweils mit einem reinen Biegemoment ohne Zug- oder Querkräfte belastet.
Nur diese zweite Eigenfrequenz wird im Versuchsbetrieb angeregt.
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Da die Kreuzblattfederanordnung von Materialprobe 9 und Drehfedern 8 und besonders die Anbindung der Materialprobe 9 an die Wippe 4 in den bisherigen 1 bis 5 schwer zu erkennen ist, zeigt Bild 6 auf der linken Seite einen Ausschnitt, in der Mitte einen Ausschnitt mit Schnitt und auf der rechten Seite die vollkommen frei geschnittene Kreuzblattfederanordnung. Die elastische Materialprobe 9 und Drehfedern 8 sind jeweils mit schwarzen Linien gezeichnet, das starre Gehäuse 3 und die Wippe 4 mit grauen. Die Drehfedern 8 sind im Vergleich zur Materialprobe 9 ausreichend dick dimensioniert, um eine höhere Steifigkeit zu erzielen, aber auch ausreichend lang, um unter dem während des Schwingbetriebes gleichermaßen aufgebrachten Biegewinkel weniger beansprucht zu werden. Die höhere Steifigkeit ist erforderlich um eine hohe zweite Eigenfrequenz der Prüfvorrichtung zu erzielen und den Einfluss der Steifigkeit der Materialprobe auf die Eigenfrequenz gering zu halten.
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Eine Vorrichtung zum Aufbringen einer statischen Biegebelastung der Werkstoffprobe ist in die Prüfvorrichtung integriert.
Sie besteht aus einer Schaukel mit Sitz 5 und Speichen 6.
Die Speichen 6 sind auf der Drehachse der Eigenschwingungen mittels Stiften im Gehäuse drehbar gelagert.
Der Sitz 5 ist einerseits auf einer Kreisbahn verstellbar am Gehäuse befestigt und andererseits integral mit den Drehfedern 8 verbunden.
Das Vorspannen erfolgt nach dem Lösen der Befestigungsschrauben 16 über eine Einstellschraube 7, die im Gehäuse 3 geführt ist.
Die beschriebene Lagerung der Schaukel erzwingt eine Drehbewegung der Drehfedern 8 um die Drehachse 15, was wiederum zu einer reinen Biegebelastung der Kreuzblattfederanordnung von Materialprobe 9 und Drehfedern 8 führt.
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Unterhalb der Madenschraube zum Einstellen der Vorspannung 7 befindet sich eine zweite im Gehäuse geführte Madenschraube zum Einstellen der Schwingwegbegrenzung 13.
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Der Spalt zwischen dieser Einstellschraube 13 und der Wippe 4 kennzeichnet die größtmögliche Schwingungsamplitude zwischen Gehäuse 3 und Wippe 4.
Ein Kontakt verhindert größere Amplituden.
Zur Befestigung der Materialprobe 9 sind ihre Einspannflächen mit einer zentralen Durchgangsbohrung versehen.
Jedes Ende der Materialprobe 9 wird durch diese Bohrung mittels einer einzigen Schraube und Druckklotz 10 festgeklemmt.
Es lassen sich flachere Materialproben 9 als die dargestellte testen, indem gleich starke Distanzbleche auf der Ober- und Unterseite der Materialprobe 9 eingelegt werden, welche den Höhenunterschied zur dargestellten Materialprobe 9 ausgleichen, so dass die Lage ihrer biegeneutralen Faser erhalten bleibt.
Es lassen sich auch Materialproben 9 anderer Länge testen, da die Einspannflächen auf Seite der Vorrichtung mit Langlöchern versehen sind.
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Auf den Drehfedern befinden sich vier Dehnmessstreifen 17 in einer solchen Anordnung, dass sie in einer Vollbrückenschaltung deren Biegebeanspruchung messen.
Dieses Signal wird zur indirekten Messung sowohl der Biegevorspannung als auch der Biegespannungsamplitude in der Materialprobe verwendet.
Die Abhängigkeit des statischen und dynamischen Kalibrierfaktors von der Probensteifigkeit bzw. Eigenfrequenz wurden zuvor bereits beschrieben.
Frequenz-, Phasen- und Amplitudeninformationen des Signals werden vom Regler dazu verwendet, die Vorrichtung via Leistungsverstärker und zwei Paaren von Elektromagnet und Magnetanker in der zweiten Eigenfrequenz mit konstanter Amplitude zu betreiben.
Da ein Magnetanker unabhängig von der Polung des Elektromagneten angezogen wird, beträgt die Anregungsfrequenz die halbe Betriebsfrequenz.
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Die beiden Elektromagnete 11 sind jeweils auf einem Balken 14 gelagert. Diese Balken 14 sind auf einer Kreisbahn um die Drehachse 15 verstellbar mit dem Gehäuse 3 fest verbunden, so dass sich der Spalt zwischen Elektromagneten 11 und Magnetankern 12 den Versuchsparametern entsprechend vor Versuchsbeginn optimal einstellen lässt.
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Die zwei Paare von Elektromagnet 11 und Magnetanker 12 befinden sich um 180° versetzt in gleichem Abstand zur Drehachse 15. Bei phasengleicher Ansteuerung der Elektromagnete 11 mit halber Schwingfrequenz wird die Schwingung zwischen den Elektromagneten 11 und den Magnetankern 12 während eines Zyklus der Eigenschwingung nur in einer von beiden Drehrichtungen angeregt.
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Wenn die zwei Paare von Elektromagnet 11 und Magnetanker 12 einander nicht verdreht, sondern gespiegelt gegenüber lägen und mit einer Sinusspannung halber Schwingfrequenz 90° phasenverschoben betrieben würden, erfolgte die Anregung in beiden Drehrichtungen der Eigenschwingung und die statischen Anteile der jeweils schwellenden Kraftanregung kompensierten sich.
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Die gleiche Wirkung hätte eine Anregung mittels eines einzigen Paares von Elektromagneten, dessen Magnete mit einer Sinusspannung der halben Schwingfrequenz 90° phasenverschoben betrieben werden.
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Referenzen
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- [1 US 3 811 665 A ]
- [2] DE 22 44 630 A
- [3] Umlaufbiegeprüfvorrichtung mit Resonanzverstärkung und Rundlaufregelung, Attila Alt, antriebstechnik, Nov. 2002
- [4] Cracktronic: Resonanz-Prüfmaschine als Tischmodell für dynamische Biegebeanspruchungen, https://www.rumul.ch/pdf/Cracktronic_d.pdf
- [5] DE 102 04 258 A1
- [6] DD 1 50 504 A1
