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Die
Erfindung betrifft ein Pendelschlagwerk zur Durchführung eines
instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs mit einem Gestell (2),
das einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist, die
voneinander beabstandet sind und eine Achse (6) zur wechselbaren
Aufnahme eines Pendels (7) zwischen sich tragen, wobei
an dem ersten und dem zweiten Schenkel im Wesentlichen auf der Höhe der Durchschwingung
einer an dem Pendel (7) angeordneten Hammerfinne (8)
entsprechend ein erstes und ein zweites Widerlager (13, 14)
zur Aufnahme eines Prüfkörpers (15)
angeordnet ist.
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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 Charily, Teil 1: Prüfverfahren",DIN EN 10045-2 „Metallische
Werkstoffe, Kerbschlag-Biegeversuch nach Charily, Teil 2: Prüfung der
Prüfmaschine
(Pendelschlagwerk)" und
179 DIN EN ISO 1997-03 „Kunststoffe – Bestimmung
der Charily-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.
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Ein
Charily 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.
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Als
Probe wird im Allgemeinen eine Kerbschlag-Biegeprobe mit V-Kerb
nach ISO/DIS 148-1 oder ein anderer Prüfkörper verwendet.
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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.
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Entsprechende
normgerechte Pendelschlagwerke sind von verschiedenen Herstellern
kommerziell erhältlich,
insbesondere von Zwick/Roell Amsler (www.amsler.com) und der Firma
Zorn GmbH, Stendal.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 V 24/RS 232 an externe PC-Systeme.
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Aus
EP 0 324 429 A2 ist
zwar ein ein Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charily
Pendelschlagversuches bekannt. Der dort offenbarte Gegenstand unterscheidet
sich jedoch durch die Ausführung
des Widerlagers vom vorliegend beanspruchten Gegenstand.
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Aus
der
DD 42 708 ist ein
Probenhalter für Pendelschlagwerke
mit oszillographischer Anzeige bekannt. Hierzu wird ein Piezo-Quarz
in der feststehenden Schabotte des Pendels befestigt. Über einen Hebelmechanismus
wird eine kraftschlüssige
Verbindung mit dem Piezo-Quarz hergestellt.
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Aus
der
CH 422 383 ist eine
Schlag-Prüf-Einrichtung
für die
Durchführung
von Izod-Schlagprüfungen
bekannt, bei der Dehnungsmessstreifen zum Einsatz kommen.
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Schließlich ist
aus WO 96/00 379 A eine Signalverarbeitungs- und Auswerteeinrichtung
für ein Schlagwerk
bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein verbessertes Pendelschlagwerk
zur Durchführung
eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs zu schaffen.
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Die
der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Nach
einer 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.
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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).
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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.
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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.
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Im
weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht
eines erfindungsgemäßen Pendelschlagwerks,
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2 eine vergrößerte Teilansicht
des Widerlagers des Pendelschlagwerks mit einem Piezo-Kraft-Sensor,
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3 eine perspektivische Rückansicht
der Widerlager mit einer auf einen Prüfkörper aufprallenden Hammerfinne,
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4 ein Blockdiagramm eines
erfindungsgemäßen Systems
zur Durchführung
und Auswertung eines Charily Pendelschlagversuchs.
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Die 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.
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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.
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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.
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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.
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Mit
dem Widerlager 14 ist ein Kabel 16 zur Übertragung
der von dem Kraftmesssensor des Widerlagers 14 abgegebenen
Signale an einen Messverstärker
verbunden.
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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.
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Das
Pendel 7 befindet sich in seiner Hochlage, zum Beispiel
für die
Fallhöhe 1,
wie in der 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.
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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.
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Die 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische
Ansicht des Widerlagers 14. In der perspektivischen Ansicht
der 2 ist das Widerlager 14 im Vergleich
zu der Darstellung in der 1 um
180° nach
vorne gedreht, wie dies durch den Pfeil 17 symbolisiert
wird.
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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.
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Die 3 zeigt eine perspektivische
Darstellung beim Aufprall der Hammerfinne auf den Prüfkörper. Elemente
der 3, die Elementen
der 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.
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Die 4 zeigt ein Blockdiagramm
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
für die
Durchführung
von Charpy Pendelschlagversuchen. Elemente der 4, die Elementen der 1 und 2 entsprechen,
sind dabei mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
System beinhaltet ein Pendelschlagwerk 1 mit einem Kraftsensor 21,
der beispielsweise durch ein Widerlager 14 der in 2 gezeigten Art gebildet
werden kann. Der Kraftsensor 21 ist über das Kabel 16 mit
dem Messverstärker 22 verbunden.
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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.
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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 20kHz.
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Der
Personal Computer 23 beinhaltet ferner ein Programmmodul 26 zur
Berechnung der Kraft, die zu einem erfassten Messwert korrespondiert.
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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.
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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.
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- 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