DE10213232B4 - Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs - Google Patents

Abstract

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, wobei zumindest eines der Widerlager als Kraftmessdose mit einem Kraftmesssensor (18) ausgebildet ist, wobei die Kraftmessdose eine elastische Zunge (19) aufweist und wobei eine erste Seite der Zunge als eine Anlagefläche für den Prüfkörper dient und auf einer zweiten Seite der Zunge, die der ersten Seite abgewandt ist, der Kraftmesssensor (18) angeordnet ist.

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• 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 V 24/RS 232 an externe PC-Systeme.
• 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.
• 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.
• Aus der CH 422 383 ist eine Schlag-Prüf-Einrichtung für die Durchführung von Izod-Schlagprüfungen bekannt, bei der Dehnungsmessstreifen zum Einsatz kommen.
• Schließlich ist aus WO 96/00 379 A eine Signalverarbeitungs- und Auswerteeinrichtung für ein Schlagwerk bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein verbessertes Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs zu schaffen.
• 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.
• 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.
• 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:
• 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Pendelschlagwerks,
• 2 eine vergrößerte Teilansicht des Widerlagers des Pendelschlagwerks mit einem Piezo-Kraft-Sensor,
• 3 eine perspektivische Rückansicht der Widerlager mit einer auf einen Prüfkörper aufprallenden Hammerfinne,
• 4 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung und Auswertung eines Charily Pendelschlagversuchs.
• 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.
• 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 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 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.
• 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 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.
• 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.
• 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.
• 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 20kHz.
• 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.

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 (9)

1. 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, wobei zumindest eines der Widerlager als Kraftmessdose mit einem Kraftmesssensor (18) ausgebildet ist, wobei die Kraftmessdose eine elastische Zunge (19) aufweist und wobei eine erste Seite der Zunge als eine Anlagefläche für den Prüfkörper dient und auf einer zweiten Seite der Zunge, die der ersten Seite abgewandt ist, der Kraftmesssensor (18) angeordnet ist.
2. Pendelschlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmesssensor einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
3. Pendelschlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmesssensor einen Piezo-Sensor (18), vorzugsweise einen Niederimpedanz-Piezokristall, aufweist.
4. Pendelschlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 mit einen Messwertverstärker für ein von dem Kraftmesssensor geliefertes Messsignal.
5. Pendelschlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 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.
6. Pendelschlagwerk nach Anspruch 5, wobei es sich bei der Auswerteeinrichtung um einen Personal Computer mit einer Messwerterfassungskarte (25) handelt.
7. Pendelschlagwerk nach Anspruch 6, wobei die Messwerterfassungskarte mit einer Abtastrate im Bereich von 25 kHz bis 200 kHz, vorzugsweise mit einer Abtastrate von unter 100 kHz, insbesondere 20kHz, arbeitet.
8. Pendelschlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, wobei die Auswerteeinrichtung zur Ausgabe einer Kraft-Zeitkurve basierend auf den Messsignalen ausgebildet ist.
9. Pendelschlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, wobei die Auswerteeinrichtung mit einem Laborinformationssystem (31) koppelbar ist.