DE10213232A1

DE10213232A1 - Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs

Info

Publication number: DE10213232A1
Application number: DE2002113232
Authority: DE
Inventors: Martin Meyer; Bahman Sarabi; Bernd Kunert
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Underwriters Laboratories Inc Northbrook Il Us
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: DE10213232B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs mit einem ersten 13 und einem zweiten Widerlager 14 für einen Prüfkörper 15, wobei zumindest eines der Widerlager einen Kraftmesssensor 18 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs sowie ein entsprechendes System zur Durchführung eines Charpy Pendelschlagversuchs.

Bei dem Charpy Pendelschlagversuch handelt es sich um ein normiertes Prüfverfahren, welches für die Materialprüfung insbesondere von metallischen Werkstoffen und von Kunststoffen verwendet wird. Die entsprechenden Normen lauten DIN EN 10045-1 "Metallische Werkstoffe, Kerbschlag-Biegeversuch nach Charpy, Teil 1: Prüfverfahren", DIN EN 10045-2 "Metallische Werkstoffe, Kerbschlag-Biegeversuch nach Charpy, Teil 2: Prüfung der Prüfmaschine (Pendelschlagwerk)" und 179 DIN EN ISO 1997-03 "Kunststoffe - Bestimmung der Charpy-Schlagzähigkeit" sowie Stahl-Eisen- Prüfblatt SEP 1315, "Kerbschlag-Biegeversuch mit Ermittlung von Kraft und Weg", Ausgabe Mai 1987, und dem DVM Merkblatt 001, "Messtechnische Anforderungen beim instrumentierten Kerbschlag-Biegeversuch", Ausgabe September 1986.

Ein Charpy Pendelschlagversuch wird üblicherweise mit einem Pendelschlagwerk nach ISO/DIS 148-2 durchgeführt, welches mit einer Instrumentierung zur Ermittlung von Kraft-Zeit-Kurven oder Kraft-Durchbiegungs-Kurven ausgerüstet ist. Als Probe wird im Allgemeinen eine Kerbschlag-Biegeprobe mit V-Kerb nach ISO/DIS 148-1 oder ein anderer Prüfkörper verwendet.

Die Kraftmessung erfolgt üblicherweise mit zwei aktiven Dehnungsmessstreifen (DMS), die so an die normgerechte Hammerfinne angebracht sind, dass sie ein Kraftmessglied bilden. Eine Vollbrücke wird üblicherweise durch zwei gleich beanspruchte aktive DMS, jeweils auf der Gegenseite der Finne, und zwei passive Kompensations-DMS oder Ergänzungswiderstände gebildet. Die Kompensations- DMS sollen nicht an Teilen des Pendelschlagwerks appliziert werden, die Stoß- oder Schwingungseffekten unterliegen.

Entsprechende normgerechte Pendelschlagwerke sind von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich, insbesondere von Zwick/Roell Amsler (www.amsler.com) und der Firma Zorn GmbH, Stendal.

Von der Firma Zorn sind verschiedene Pendelschlagwerke zur Bestimmung der Schlag- Biegefestigkeit von Press-, Kunst- und Plaststoffen bekannt. Ein solches Pendelschlagwerk dient zur Ermittlung des Verhaltens bei Schlag-Biegebeanspruchung und zur Beurteilung der Sprödigkeit oder Zähigkeit in Übereinstimmung mit den in DIN 53453, DIN 53753, ISO 179, ASTM D 256 festgelegten Richtlinien.

Das Pendelschlagwerk besteht aus einem Gestell, in dem ein Pendel gelagert ist. Das Pendel wird zum Versuch in die Hochlage gebracht; dadurch wird eine bestimmte Energie gespeichert. Wird das Pendel ausgeklinkt, trifft es in seiner Tieflage auf den Probekörper, der quer zur Flugbahn des Pendels auf zwei Widerlagern aufgelegt ist.

Ein Teil der Energie wird zur Zerstörung der Probe verbraucht. Die im Pendel verbleibende Arbeit bewirkt ein Durchschwingen nach der anderen Seite, wobei je nach Größe der Restarbeit eine mehr oder weniger große Steighöhe erreicht wird. Der Messwertgeber ist direkt mit der Pendelachse verbunden. Es erfolgt die Anzeige der verbrauchten Schlagarbeit in Prozent vom Arbeitsvermögen des verwendeten Pendels.

Von der Firma Technische Beratung Abram, Dienstlaken (www.tb-abram.de) ist ein Pendelschlagwerk 53304 kommerziell erhältlich, welches zur Bestimmung der Schlag-, Kerbschlag- oder Schlagzugzähigkeit verwendet werden kann. Ein Probekörper aus Kunststoff, Metall, Schichtpressstoff, Baustoff, Glas, Holz oder aus ähnlichen Werkstoffen wird bei diesem Prüfverfahren durch das Einwirken schlagartig auftretender Kräfte zerbrochen, zerrissen oder beschädigt. Zur Ermittlung der verbrauchten Schlagarbeit dient dabei das Pendelschlagwerk.

Das Pendelschlagwerk besteht im Wesentlichen aus dem massiven Gestell mit biegesteifer Schabotte, der zur Vermeidung von Messwert verfälschenden Schwingungen zweiseitig in Präzisionsrillen gelagerten, geführten Pendelachse, der Entriegelungseinrichtung, der Bremsvorrichtung zur schnellen Schwingungsdämpfung des Pendels nach dem ausgeführten Schlag sowie der Messelektronik mit Display und Tastenfeld. Für jedes Prüfverfahren stehen Pendel mit abgestuften Arbeitsvermögen zur Verfügung. Der Display-Rechner ermittelt die verbrauchte Schlagarbeit, zeigt diese an und gibt die Messwerte über die optionale Schnittstelle V24/RS232 an externe PC-Systeme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein verbessertes Pendelschlagwerk und ein verbessertes System zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs zu schaffen.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche jeweils gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Kraftmesssensor erfindungsgemäß nicht an der Hammerfinne sondern an zumindest einem der Widerlager für den Prüfkörper angeordnet. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass sich die Handhabung des Pendelschlagwerks ganz erheblich vereinfacht.

Bei aus dem Stand der Technik vorbekannten Pendelschlagwerken ist der Austausch des Pendelhammers zur Durchführung unterschiedlicher Charpy Pendelschlagversuche mit verschiedenen Energien relativ aufwendig, da sich an der Hammerfinne die aktiven Dehnungsmessstreifen mit der entsprechenden Verkabelung befinden.

Hier schafft die vorliegende Erfindung Abhilfe, indem ein Kraftmesssensor vorzugsweise hinter eines der Widerlager für den Prüfkörper angeordnet wird. Auf diese Art und Wiese bildet der Kraftmesssensor einen integralen Bestandteil des Pendelschlagwerks. Der Kraftmesssensor braucht also nicht mit ausgebaut zu werden, wenn der Pendelhammer ausgewechselt wird. Dies stellt eine erhebliche Vereinfachung in der Handhabung eines Pendelschlagwerks dar.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Widerlager für den Prüfkörper an dem Gestell des Pendelschlagwerks angeordnet. Hinter zumindest einem der Widerlager befindet sich der Kraftmesssensor, zur Aufnahme des Kraft- Zeitverlaufs beim Aufprall des Pendelhammers auf den Prüfkörper.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kraftmesssensor als Kraftmessdose ausgebildet. Die Kraftmessdose ist an dem Gestell des Pendelschlagwerks angebracht und bildet eines der Widerlager für den Prüfkörper.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung basiert die Kraftmessdose auf dem Dehnungsmessstreifen-Prinzip. Vorzugsweise wird jedoch ein Piezo-Kraft-Sensor in Form eines Niederimpedanz-Piezokristalls für die Kraftmessdose verwendet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an dem Pendelschlagwerk ein Messwertverstärker für die von dem Kraftmesssensor gelieferten Signale vorhanden. Von dem Messwertverstärker werden die Signale dann zu einer Auswertestation beispielsweise über ein Kabel übertragen. Bei der Auswertestation handelt es sich vorzugsweise um einen handelsüblichen Personal Computer, der mit einer Auswerte-Software zur Bestimmung der Kraft aus den ermittelten Messwerten sowie zur Ausgabe einer Kraft-Zeit-Kurve ausgestattet ist. Ferner können hierauf basierend weitere Messkurven berechnet werden, wie zum Beispiel die Kraft- Durchbiegung-Kurve (vgl. hierzu EN ISO 14556).

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung mit einem Laborinformationssystem (LIMS) verbunden. Beispielsweise werden von Auswerteeinheiten ermittelte Kurvenverläufe automatisch an einen zentralen Speicher des LIMS für die weitere Auswertung und Archivierung übertragen.

Von besonderem Vorteil ist bei der Erfindung die Anbringung des Kraftmesssensors unmittelbar an dem Pendelschlagwerk; dies ist konstruktiv vorteilhaft, da die Verkabelung der Dehnungsmessstreifen an dem beweglichen Pendelhammer entfällt.

Im weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Pendelschlagwerks,
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Widerlagers des Pendelschlagwerks mit einem Piezo-Kraft-Sensor,
Fig. 3 eine perspektivische Rückansicht der Widerlager mit einer auf einen Prüfkörper aufprallenden Hammerfinne,
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung und Auswertung eines Charpy Pendelschlagversuchs.
Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Pendelschlagwerks 1 mit einem Gestell 2. Das Gestell 2 hat Füße 3 und 4, die das Gestell 2 mit einer Schabotte 5 verbinden. Das Gestell 2 trägt eine Achse 6 zur wechselbaren Aufnahme eines Pendels 7 mit einer Hammerfinne 8.
Die Achse 6 wird zum Heben des Pendels 7 in seine Hochlage von einer Hubeinrichtung bestehend aus einer Kupplung 9 und einem Antriebsmotor 10 angetrieben.
Das Pendelschlagwerk 1 hat ferner eine Arretier- und Auslöseeinheit 11 für eine erste Fallhöhe sowie eine Arretier- und Auslöseeinheit 12 für eine zweite Fallhöhe des Pendels 7.
An dem Gestell 2 befinden sich ferner ein Widerlager 13 und ein Widerlager 14 für einen Prüfkörper 15. Bei dem Widerlager 14 handelt es sich um eine Kraftmessdose, die einen Kraftmesssensor beinhaltet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kraftmesssensor um einen Piezokristall. Das Widerlager 13 hat in der gezeigten Ausführungsform keinen Kraftmesssensor, jedoch können auch beide Widerlager 13 und 14 jeweils mit einem Kraftmesssensor ausgestattet sein.
Mit dem Widerlager 14 ist ein Kabel 16 zur Übertragung der von dem Kraftmesssensor des Widerlagers 14 abgegebenen Signale an einen Messverstärker verbunden.
Zur Durchführung eines Pendelschlagversuchs nach Charpy wird ein Prüfkörper 15 in das Pendelschlagwerk 1 eingelegt. Die eine Seite des Prüfkörpers 15 wird dabei von dem Widerlager 13 und die andere Seite von dem Widerlager 14 gehalten.
Das Pendel 7 befindet sich in seiner Hochlage, zum Beispiel für die Fallhöhe 1, wie in der Fig. 1 dargestellt. Das Pendel wird dann ausgelöst, so dass die Hammerfinne auf den Prüfkörper 15 auftrifft und diesen zum Beispiel durchschlägt. Die beim Auftreffen der Hammerfinne 8 auf den Prüfkörper 15 wirkenden Kräfte werden von dem Kraftmesssensor des Widerlagers 14 aufgenommen und über das Kabel 16 zu dem Messverstärker übertragen.
Zur Durchführung eines modifizierten Charpy Pendelschlagversuchs mit einer anderen Energie ist lediglich der Austausch des Pendels 7 erforderlich. Dies hat im Vergleich zum aus dem Stand der Technik bekannten Pendelschlagwerken den Vorteil, dass die Sensorik zur Aufnahme der Kraft unverändert bleiben kann und nicht zusammen mit dem Pendel 7 ausgetauscht werden muss. Insbesondere kann auch die Verkabelung unverändert bleiben.
Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Widerlagers 14. In der perspektivischen Ansicht der Fig. 2 ist das Widerlager 14 im Vergleich zu der Darstellung in der Fig. 1 um 180° nach vorne gedreht, wie dies durch den Pfeil 17 symbolisiert wird.
Das Widerlager 14 ist als Kraftmessdose mit einem Piezokristall 18 ausgebildet. Der Piezokristall 18 befindet sich auf einer Zunge 19 des Widerlagers 14, die elastisch beim Auftreffen des Pendels 7 auf den Prüfkörper 15 verformt wird. Hierzu sind Ausnehmungen 20 in dem Widerlager 14 vorgesehen. Das Kabel 16 ist mit dem Piezokristall 18 verbunden, um die von dem Piezokristall 18 generierten Spannungen zu erfassen und als Messwerte zu dem Messverstärker zu übertragen.
Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung beim Aufprall der Hammerfinne auf den Prüfkörper. Elemente der Fig. 3, die Elementen der Fig. 1 und 2 entsprechen, sind dabei mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Prüfkörper 15 liegt mit seinen beiden Enden jeweils an den Widerlagern 13 bzw. 14 an. Beim Auftreffen der Hammerfinne 8 auf den Prüfkörper 15 wird die dabei wirkende Kraft auf die Widerlager 13 und 14 übertragen. Dabei kommt es zu einer leichten elastischen Verbiegung der Zunge 19, so dass der Piezokristall 18 ein der auf das Widerlager 14 wirkenden Kraft proportionales Spannungssignal abgibt, welches über das Kabel 16 zu einem Messverstärker übertragen wird.
Die Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems für die Durchführung von Charpy Pendelschlagversuchen. Elemente der Fig. 4, die Elementen der Fig. 1 und 2 entsprechen, sind dabei mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das System beinhaltet ein Pendelschlagwerk 1 mit einem Kraftsensor 21, der beispielsweise durch ein Widerlager 14 der in Fig. 2 gezeigten Art gebildet werden kann. Der Kraftsensor 21 ist über das Kabel 16 mit dem Messverstärker 22 verbunden.
Von dem Messverstärker 22 werden die von dem Kraftsensor 21 gelieferten Messwerte an den Personal Computer 23 über ein weiteres Kabel 24 oder auch drahtlos übertragen.
Die Eingabe der Messwerte in den Personal Computer 23 erfolgt über eine Messwerterfassungskarte 25. Diese arbeitet vorzugsweise mit einer Abtastrate von bis zu 100 kHz, vorzugsweise 20 kHz.
Der Personal Computer 23 beinhaltet ferner ein Programmmodul 26 zur Berechnung der Kraft, die zu einem erfassten Messwert korrespondiert.
Ferner beinhaltet der Personal Computer 23 ein Programmmodul 27 zur Speicherung der berechneten Kraft-Zeit Messwerte Paare. Mittels eines Programmmoduls 28 kann eine Kraft-Zeit-Kurve berechnet und ausgegeben werden.
Vorzugsweise ist der Personal Computer 23 über ein Netzwerk 30, zum Beispiel ein Intranet, mit einem Laborinformationssystem 31 verbunden. Beispielsweise die Kraft-Zeit Messwert Paare oder auch die Kraft-Zeit oder die Kraft-Durchbiegungs- Kurven werden dann über das Netzwerk 30 zu dem Laborinformationssystem 31 übertragen und dort für die weitere Auswertung gespeichert. Bezugzeichenliste 1 Pendelschlagwerk
2 Gestell
3 Füße
4 Füße
5 Schabotte
6 Achse
7 Pendel
8 Hammerfinne
9 Kupplung
10 Antriebsmotor
11 Arretier- und Auslöseeinheit
12 Arretier- und Auslöseeinheit
13 Widerlager
14 Widerlager
15 Prüfkörper
16 Kabel
17 Pfeil
18 Piezokristall
19 Zunge
20 Ausnehmung
21 Kraftsensor
22 Messverstärker
23 Personal Computer
24 Kabel
25 Messwerterfassungskarte
26 Programmmodul
27 Programmmodul
28 Programmmodul
29 Programmmodul
30 Netzwerk
31 Laborinformationssystem

Claims

1. Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs mit einem ersten (13) und einem zweiten Widerlager (14) für einen Prüfkörper (15), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Widerlager einen Kraftmesssensor (18) aufweist.

2. Pendelschlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerlager an dem Gestell (2) des Pendelschlagwerks angeordnet sind.

3. Pendelschlagwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmesssensor hinter dem zumindest einen der Widerlager angeordnet ist.

4. Pendelschlagwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmesssensor als Kraftmessdose ausgebildet ist.

5. Pendelschlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmesssensor einen Dehnungsmessstreifen aufweist.

6. Pendelschlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmesssensor einen Piezo-Sensor (18), vorzugsweise einen Niederimpedanz-Piezokristall, aufweist.

7. Pendelschlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 mit einen Messwertverstärker für ein von dem Kraftmesssensor geliefertes Messsignal.

8. System für die Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs mit einem Pendelschlagwerk (1) mit einem ersten (13) und einem zweiten Widerlager (14), wobei zumindest eines der Widerlager einen Kraftmesssensor (18) aufweist, mit Mitteln (16) zur Übertragung eines von dem Kraftmesssensor gelieferten Messsignals an eine Auswerteeinrichtung (23), wobei die Auswerteeinrichtung zur Berechnung einer Kraft aus dem Messsignal ausgebildet ist.

9. System nach Anspruch 8, wobei es sich bei der Auswerteeinrichtung um einen Personal Computer mit einer Messwerterfassungskarte (25) handelt.

10. System nach Anspruch 9, wobei die Messwerterfassungskarte mit einer Abtastrate im Bereich von 25 kHz bis 200 kHz vorzugsweise mit einer Abtastrate von unter 100 kHz, insbesondere 20 kHz, arbeitet.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei die Auswerteeinrichtung zur Ausgabe einer Kraft-Zeitkurve basierend auf den Messsignalen ausgebildet ist.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, wobei die Auswerteeinrichtung mit einem Laborinformationssystem (31) koppelbar ist.