DE10303884B4

DE10303884B4 - Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Izod Pendelschlagversuchs

Info

Publication number: DE10303884B4
Application number: DE10303884A
Authority: DE
Inventors: Martin Meyer; Dr. Sarabi Bahman; Bernd Kunert
Original assignee: UNDERWRITERS LAB Inc; UNDERWRITERS LABORATORIES Inc
Current assignee: Underwriters Laboratories Inc Northbrook Il Us
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2023-02-01
Also published as: DE10303884A1

Abstract

Spannvorrichtung (10) mit einer ersten (14) und einer zweiten (15) Spannbacke für das Einspannen einer Seite eines Prüfstreifens (11) in einem Pendelschlagwerk (1) zur Durchführung eines instrumentierten Izod Pendelschlagversuchs, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Spannbacken (14) oder (15) einen Kraftaufnehmer (13) aufweist, wobei der Kraftaufnehmer (13) so angeordnet ist, dass eine Kraft vom Prüfstreifen (11) über ein bewegliches Spannelement (19) auf den Kraftaufnehmer (13) übertragbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Izod Pendelschlagversuchs sowie ein entsprechendes System zur Durchführung eines Izod Pendelschlagversuchs.
Bei dem Izod 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 2003-2 „Luft- und Raumfahrt-Stahl, Prüfverfahren- Teil 2: Izod-Kerbschlagbiegeversuch”, DIN EN ISO 180 „Kunststoffe-Bestimmung der Izod-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 Izod Pendelschlagversuch wird üblicherweise mit einem Pendelschlagwerk entsprechend 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 mit zwei aktiven Dehnungsmeßstreifen (DMS), die so an die normgerechte Hammerfinne angebracht sind, dass sie ein Kraftmessglied bilden. Eine Vollbrücke wird 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, dessen eine Seite quer zur Flugbahn des Pendels in einer Einspannvorrichtung eingeklemmt 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, Dinslaken (www.tbabram.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.
In DE 1 916 887 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Zerbrechlichkeit eines starren Kunststoffes offenbart, bei dem ein Schlagzähigkeitsversuch unter Vorspannung durchgeführt wird. Dazu wird die kritische Spannung gemessen, von der ab eine genormte Probe des zu untersuchenden Stoffes, die einer in Probenlängsrichtung wirkenden Zugspannung ausgesetzt ist, einen Sprödbruch erleidet, wenn man gegen die Flanke der Probe einen kerbähnlichen Schlag bestimmter Kraft in einer Richtung, die senkrecht zur angelegten Spannung wirkt, ausübt. Das den Kerbschlag ausübende Pendel wird dabei vollständig gestoppt. Die kritische Spannung ist die einachsige Spannung, von der an ein Schlag, der die Probe unter genau definierten Bedingungen kerbt, Anlass gibt zur unmittelbaren Ausbreitung bzw. Fortpflanzung eines Sprödbruchs in einer Richtung, die senkrecht zur angelegten Zugkraft liegt.
DE 40 25 135 C1 betrifft ein Pendelschlagwerk zur Durchführung eines Charpy-Pendelschlagversuchs mit einem Pendel, dessen Schlaghammer mit einem Dehnmessstreifen zur Erfassung der Kraftfunktion während des Durchschwingens ausgestattet ist, und mit einer Fallhöhenmesseinrichtung. Diese ist in der Nähe der Pendelnabe angeordnet, kann als optischer oder Widerstandsweggeber oder kapazitiv als in einen Zylinderkondensator eintauchende Tauchhülse ausgebildet sein und misst über ein Zahnradgetriebe und einen Auswertungsschaltkreis die Auslenkung und Fallhöhe des Pendels. Die Fallhöhenmesseinrichtung gestattet es, den Höhenunterschied eines durchschwingenden Pendels mit größerer Genauigkeit in kürzeren Versuchswiederholzeiten zu ermitteln.
In DD 247 281 A1 ist ein Messwertübertragungssystem für Schlag-, Pendelschlag- und Fallwerke offenbart. Die Messgrößen werden mit verschiedenen Sensoren registriert und anschließend elektronisch ausgewertet. Dabei sind am Schlagbolzen des Schlag-, Pendelschlag- oder Fallwerks ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung physikalischer Parameter angebracht, deren Ausgänge über elektronische Stufen, in denen eine Signalaufbereitung erfolgt, mit einem Kondensator verknüpft sind, der aus einem Metallstreifen am Schlagbolzen und einem Fallrohr, in dem der Schlagbolzen geführt wird, besteht. Über ihn werden die aufbereiteten Signale über eine Eingangsstufe einer Verarbeitungsstufe zugeführt, die mit einer Auswerteeinrichtung verknüpft ist.
Das nachveröffentlichte Dokument DE 102 13 232 A1 betrifft ein Pendelschlagwerk zur Durchführung eines instrumentierten Charpy Pendelschlagversuchs mit einem ersten und einem zweiten Widerlager für einen Prüfkörper, wobei zumindest eines der Widerlager einen Kraftmesssensor aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein verbessertes Pendelschlagwerk und ein verbessertes System zur Durchführung eines instrumentierten Izod 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 der Einspannvorrichtung für den Prüfkörper angeordnet. Die Einspannvorrichtung besteht in der Regel aus zwei Spannbacken, von denen zumindest eine beweglich ist. 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 Izod 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 in die feststehende Spannbacke der Einspannvorrichtung für den Prüfkörper integriert wird. Auf diese Art und Weise bildet der Kraftmesssensor einen integralen Bestandteil des Pendelschlagwerks. Der Kraftmesssensor braucht also nicht 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 ist die Einspannvorrichtung für den Prüfkörper an dem Gestell des Pendelschlagwerks angeordnet. Ein Kraftmesssensor zur Aufnahme des Kraft-Zeitverlauf beim Aufprall des Pendelhammers auf den Prüfkörper ist zumindest in eine der Spannbacken integriert.
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.
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.
Des Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Pendelschlagwerks,
2 eine perspektivische Teilansicht der Einspannvorrichtung, der Halterung zur Befestigung am Pendelschlagwerk und einer sich auf einen Prüfkörper zubewegenden Hammerfinne,
3 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung und Auswertung eines Izod Pendelschlagversuchs.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Pendelschlagwerks 1 mit einem Gestell 2. Das Gestell 2 hat zwei Füße 3 und 4, die das Gestell 2 mit einer Schabotte 5 verbinden. Das Gestell 2 trägt eine Achse zur wechselbaren Aufnahme eines Pendels 6.
Eine Hubeinrichtung bestehend aus Kupplung 7 und Antriebsmotor 8 bringt das Pendel in seine Hochlage. Mittels einer Arretier- und Auslöseeinheit 9 wird das Pendel auf seiner Fallhöhe festgehalten und von dort fallen gelassen.
Eine Spannvorrichtung 10 für einen Prüfstreifen 11 ist mit Hilfe einer Halterung 12 am der Schabotte 5 angebracht. In die Spannvorrichtung 10 ist ein Kraftaufnehmer 13 integriert.
Die Spannvorrichtung mit integriertem Kraftaufnehmer und die Halterung, welche sich am Gestell 2 festschrauben lässt, werden in 2 detailliert gezeigt. Der Prüfkörper 11 wird zwischen zwei Spannbacken 14 und 15 (schraffiert) eingeklemmt. Die Spannbacke 14 kann mittels der pneumatischen Schubstange 16 zum Einspannen des Prüfstreifens 11 justiert werden.
Die Spannbacke 15 lässt sich mit Hilfe der Schrauben 17 und 18 an der Spannvorrichtung 10 befestigen. Das bewegliche Spannelement 19 erlaubt es, eine Kraft vom Prüfstreifen 11 auf den Kraftaufnehmer 13 zu übertragen. Hierzu verbleibt ein Spalt 20 zwischen dem Spannelement 19 und der Spannbacke 15. Der Kraftaufnehmer 13 wird mittels einer Schraube 21 an der Spannbacke 15 befestigt. Zum Lösen und Anziehen der Schraube 21 muss zunächst die Spannbacke 15 von der Spannvorrichtung 10 abgeschraubt werden.
Zur Durchführung eines Pendelschlagversuchs nach Izod wird eine Seite eines Prüfstreifens 11 zwischen den Spannbacken 14 und 15 eingeklemmt. Das Pendel 6 wird von der Hochlage fallen gelassen und trifft mit der Hammerfinne auf den Prüfstreifen 11 auf. Die beim Auftreffen der Hammerfinne 8 auf den Prüfkörper 15 wirkenden Kräfte werden von dem Kraftaufnehmer der Spannbacke 15 aufgenommen und über das Kabel 22 zu dem Messverstärker 23 übertragen. Dies wird mit Bezug auf 3 noch näher erläutert.
Zur Durchführung eines modifizierten Izod Pendelschlagversuchs mit einer anderen Energie ist lediglich der Austausch des Pendels 6 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 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems für die Durchführung von Izod 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 Kraftaufnehmer 13, der über das Kabel 22 mit dem Messverstärker 23 verbunden ist.
Von dem Messverstärker 23 werden die von dem Kraftaufnehmer 13 gelieferten Messwerte an den Personal Computer 24 über ein weiteres Kabel 25 oder auch drahtlos übertragen.
Die Eingabe der Messwerte in den Personal Computer 24 erfolgt über eine Messwerterfassungskarte 26. Diese arbeitet vorzugsweise mit einer Abtastrate von bis zu 200 kHz, vorzugsweise 100 kHz.
Der Personal Computer 24 beinhaltet ferner ein Programmmodul 27 zur Berechnung der Kraft, die zu einem erfassten Messwert korrespondiert.
Ferner beinhaltet der Personal Computer 24 ein Programmmodul 28 zur Speicherung der berechneten Kraft-Zeit-Messwertpaare. Mittels eines Programmmoduls 29 kann eine Kraft-Zeit-Kurve berechnet und ausgegeben werden.
Vorzugsweise ist der Personal Computer 24 über ein Netzwerk 30, zum Beispiel ein Intranet, mit einem Laborinformationssystem 31 verbunden. Beispielsweise die Kraft-Zeit-Messwertpaare 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.
Bezugszeichenliste

1: Pendelschlagwerk
2: Gestell
3: Füße
4: Füße
5: Schabotte
6: Pendel
7: Kupplung
8: Antriebsmotor
9: Arretier- und Auslöseeinheit
10: Spannvorrichtung
11: Prüfstreifen
12: Halterung
13: Kraftaufnehmer
14: Bewegliche Spannbacke
15: Feststehende Spannbacke
16: Pneumatische Schubstange
17: Schraube
18: Schraube
19: Bewegliches Spannelement
20: Schraube
21: Spalt
22: Kabel
23: Messverstärker
24: Personal Computer
25: Kabel
26: Messwerterfassungskarte
27: Programmmodul
28: Programmmodul
29: Programmmodul
30: Netzwerk
31: Laborinformationssystem

Claims

Spannvorrichtung (10) mit einer ersten (14) und einer zweiten (15) Spannbacke für das Einspannen einer Seite eines Prüfstreifens (11) in einem Pendelschlagwerk (1) zur Durchführung eines instrumentierten Izod Pendelschlagversuchs, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Spannbacken (14) oder (15) einen Kraftaufnehmer (13) aufweist, wobei der Kraftaufnehmer (13) so angeordnet ist, dass eine Kraft vom Prüfstreifen (11) über ein bewegliches Spannelement (19) auf den Kraftaufnehmer (13) übertragbar ist.
Spannvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der feststehenden Spannbacke (15) der Kraftaufnehmer (13) integriert ist.
Spannvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende Spannbacke (15) mit der Spannvorrichtung (10) lösbar, vorzugsweise durch Schrauben, verbunden ist.
Spannvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (13) mit der Spannbacke (15) lösbar verbindbar ist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (13) einen Piezo-Sensor, vorzugsweise einen Niederimpedanz-Piezokristall, aufweist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (13) einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 mit einem Messverstärker (22) für ein von dem Kraftaufnehmer (13) geliefertes Messsignal.
System zur Durchführung eines instrumentierten Izod Pendelschlagversuchs mit einem Pendelschlagwerk (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst ist, wobei Mittel (21) zur Übertragung eines von dem Kraftaufnehmer (13) gelieferten Messsignals an eine Auswerteeinrichtung (23) umfasst sind, wobei die Auswerteeinrichtung zur Berechnung einer Kraft aus dem Messsignal ausgebildet ist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Auswerteeinrichtung (23) um einen Personal Computer mit einer Messwerterfassungskarte (25) handelt.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerterfassungskarte (25) mit einer Abtastrate im Bereich von 25 kHz bis 200 kHz, vorzugsweise mit einer Abtastrate von 100 kHz, arbeitet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung zur Ausgabe einer Kraft-Zeitkurve basierend auf den Messsignalen ausgebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (23) mit einem Laborinformationssystem (31) koppelbar ist.