DE112009005323B4

DE112009005323B4 - Hebelarmprüfmaschine

Info

Publication number: DE112009005323B4
Application number: DE112009005323T
Authority: DE
Inventors: Peter Ruchti
Original assignee: MESSPHYSIK MATERIALS TESTING GmbH
Current assignee: Zwickroell Testing Systems At GmbH
Priority date: 2009-10-17
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: DE102009049700A1; DE112009005323A5; WO2011044958A1

Abstract

Hebelarmprüfmaschine (1), mit der eine Prüfkraft (FP) als Zugprüfkraft auf eine Prüfprobe (65), aufzubringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lager (67) ein biegeelastisches Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) umfasst, wobei ein Hebelarm (25) der Hebelarmprüfmaschine (1) mit dem biegeelastischen Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) gelagert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hebelarmprüfmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter betrifft sie ein Prüfverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
Für die Werkstoffprüfung werden unterschiedlichste Verfahren und Apparate eingesetzt, um Materialeigenschaften zu testen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Hebelarmprüfmaschinen, wie sie in der Werkstoffprüfung eingesetzt werden, insbesondere zur Zugprüfung und Kriechprüfung. Bei der Kriechprüfung von Werkstoffen unterscheidet man zwischen Zeitstandversuch, Zeitstandriss-Versuch und Spannungsrelaxationsversuch. Beim Zeitstandversuch wird die Verformung des Materials als Funktion der Zeit bei konstanter Temperatur und konstanter Last bestimmt. Mit dem Zeitstandriss-Versuch werden Neigungen von Materialien, bei Überlastungen zu brechen, untersucht. Der Spannungsrelaxationsversuch ist dem Zeitstandversuch ähnlich – die Dehnung wird konstant gehalten, die Last nimmt aber ab.
Die Prüfverfahren, die Prüfanforderungen und die akzeptablen Fehler während der Prüfung werden in vielen Normen, z. B. in der ISO 7500-1 für viele europäische Länder, der ASTM E 292 und der ASTM E 1012 für die USA, festgelegt. Als ein wichtiges Kriterium, das sich aus den Normen ergibt, ist die Axialität bei der Messung bzw. Prüfung zu beachten.
Bei Hebelarmprüfmaschinen wird ein Hebelarm an seinem einen Ende mit einer Gewichtskraft beaufschlagt, die einstellbar ist, und am anderen Ende wird die Prüfprobe angebracht. Die Gewichtskraft wird als Prüfkraft auf die Prüfprobe über den Hebelarm übertragen. Durch die Krafteinwirkung erfährt die Prüfprobe eine Längenänderung, abhängig von den Kriecheigenschaften des zu testenden Werkstoffs. Häufig ist bei solchen Hebelarmprüfmaschinen ein Hebelarm länger als der andere, um mit geringeren Gewichtskräften hohe Prüfkräfte zu erzielen.
Bei bekannten Hebelarmprüfmaschinen sind im Wesentlichen zwei Arten bekannt, auf welche der Hebelarm gelagert ist. Bei der einen Version, die beispielweise in den FR 2 918 173 A1 (Anmelderin: Snecma S. A.; Anmeldetag: 28.06.2007), GB 670,106 A (Anmelderin: Power Jets Ltd; Anmeldetag: 26.05.1949) und in Bild 1 der DE 41 34 743 A1 (Anmelderin: Igenwert GmbH; Anmeldetag: 21.10.1991) beschrieben ist, wird der Hebelarm drehbeweglich auf einem Bolzen oder einer Welle gelagert. In Bild 2 der DE 41 34 743 A1 , in der GB 939,310 A (Anmelderin: The British Iron and Steel Research Association; Anmeldetag: 02.03.1959) und in der Produktbeschreibung der Hebelarmprüfmaschinenserie 2300/2400/2500 der Applied Test System Inc. (zugänglich unter http://www.atspa.com/2300_r2.pdf) wird ein Lagergelenk eingesetzt, das als Schneidepfanne bekannt ist. Hierbei wird von einem Teil des Lagers eine Schneidkante und von dem anderen Lagerteil eine entsprechende Aufnahme bereitgestellt. Die Schneidkante stellt die Beweglichkeit des Hebelarms sicher, weil dieser über das Gegenstück, die Aufnahme, auf der Schneidkante drehbeweglich gelagert ist.
Die bekannten Hebelarmlagergelenke haben diverse Nachteile. Bei einer Wellenlagerung ist eine hohe Reibung während der Drehbewegungen des Hebelarms gegeben. Denn durch die verhältnismäßig große Auflagefläche ist die Reibung groß. Schmierungen des Wellenlagers sind aber unüblich. Weil stets nur derselbe Bereich der Welle belastet wird, kommt es dort sehr schnell zum Verschleiß. Bei der Schneidepfannenlagerung ist zwar die Präzision besser als bei Wellenlagerungen, aber das Verschleißproblem ist eher noch verstärkt. Durch das Übertragen sämtlicher Kräfte über die Schneidkante, wirken auf die Schneidkante sehr große Druckkräfte ein, wodurch die Schneidkante abgetragen wird. Dadurch wiederum wird die Auflagefläche des Hebelarms größer, wodurch die Reibung steigt, was zu Verlusten der zu übertragenden Kraft und damit zu Messungenauigkeit, insbesondere im Laufe des Prüfstandsbetriebs, führt. Bei der Prüfmaschine der Applied Test Systems Inc. ist deshalb ein Vier-Schneiden-Element vorgesehen. Ist die erste Schneide abgetragen, so wird das 4-Schneiden-Element um eine Position weitergedreht und eine neue Schneide steht zur Verfügung. Weil auch das Gegenstück zur Schneide, die Pfanne, die bei der Prüfmaschine der Applied Test Systems Inc. als Spitznute ausgeführt ist, Verschleiß unterliegt, ist die Pfanne auswechselbar. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass trotz dieser Anpassungen das Verschleißproblem nicht gelöst ist.
Aus der DE 32 44 464 C1 (Anmelder: J. Leger, Dipl.-Ing.; Anmeldetag: 01.12.1982) ist eine Werkstoff- und Bauteil-Prüfmaschine zur Erzeugung beliebig zeitveränderlicher Biege- und Torsionsbeanspruchungen in vorzugsweise stabförmigen Prüfkörpern bekannt. Die in Betracht kommenden Beanspruchungsarten können unabhängig voneinander auf den Prüfkörper einwirken. Eine Biegekraft kann mittels eines Kardangelenkes, das aus einem Federgelenk besteht, auf eine Probe übertragen werden. Eine Torsionskraft wird über einen eine Blattfeder umfassenden Hebelarm auf eine Welle übertragen, die fest mit der Probe verbunden ist.
Aus der DE 43 32 691 A1 (Anmelderin: Carl Schenck AG; Anmeldetag: 29.09.1993) ist eine biegemomentfreie Einspannung für Proben in Prüfmaschinen mittels eines Kreuzfedergelenkes bekannt.
Die DE 28 39 373 (Anmelderin: Carl Schenck AG; Anmeldetag: 09.09.1978) ist auf eine Lagerung eines Krafteinleitungselementes für die Aufnahme und Messung von Kraftkomponenten in einer Messebene, wie beispielsweise für die aerodynamische Messung an Fahrzeugen in einem Windkanal, gerichtet.
Weitere Aspekte von Prüfmaschinen sind z. B. in Druckschriften US 2 346 981 A (Anmelder: M. J. Manjoine et al.; Anmeldetag: 05.12.1940), US 2002/144556 A1 (Anmelder: K. Hasegawa ; Anmeldetag: 20.03.2002), US 3 384424 A (Anmelder: D. B. Raines; Anmeldetag: 25.03.1964), US 2 748 597 A (Anmelder: L. F. Kooistra; Anmeldetag: 11.10.1952), US 3 390 573 A (Anmelder: N. P. Ivanovic; Anmeldetag: 20.10.1965), FR 2 918 173 A1 (Anmelderin: SNECMA Soc. anonyme; Anmeldetag: 28.06.2007), GB 670 106 A (Anmelderin: Power Jets Ltd.; Anmeldetag: 26.05.1949) und GB 939 310 A (Anmelderin: British Iron and Steel Research Association; Anmeldetag: 02.03.1959) erläutert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, bekannte Hebelarmprüfmaschinen so zu verbessern, dass eine hohe Prüfpräzision dauerhaft besteht und Verschleißerscheinungen und Reibungsverluste reduziert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hebelarmprüfmaschine nach Patentanspruch 1 und durch ein Prüfverfahren nach Patentanspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Hebelarmprüfmaschine wird dazu verwendet, mit Hilfe von beispielsweise Totgewichten, Federbelastungen, Einzelspindeln oder Doppelspindeln eine Prüfkraft auf eine Prüfprobe aufzubringen. Die Prüfkraft wird auf die Prüfprobe aufgebracht, um Kriechprüfungen, wie Zeitstandversuche, Zeitstandriss-Versuche oder Spannungsrelaxationsversuche, an der Prüfprobe durchzuführen und das elastische, plastische oder thermische Verhalten einer Prüfprobe, z. B. aus einem metallischen Material, zu untersuchen. Die Ergebnisse werden häufig in Kriechdiagrammen erfasst und teilen Konstrukteuren mit, wie das ausgewählte Material eingesetzt werden darf und wo dessen Belastungsgrenzen liegen. Eine erfindungsgemäße Hebelprüfmaschine lässt sich vorteilhaft als Hebelarmzeitstandprüfmaschine verwenden, denn bei diesen kommt es auf die langfristige, reproduzierbare Prüfungsführung an. Die Prüfkraft soll dabei unter anderem als Zugprüfkraft auf die Prüfprobe aufgebracht werden. Als Prüfproben kommen metallische Materialproben, Hölzer, Kunststoffe und sonstige Werkstoffe in Betracht.
Bei den Hebelarmprüfmaschinen hat sich die Prüfmaschine mit einem oben liegenden Hebelarm als besonders vorteilhaft herauskristallisiert. Die Probe liegt unterhalb des Hebelarms. Der Hebelarm wird dazu verwendet, eine Einleitungskraft auf eine Prüfkraft umzusetzen, d. h., in der Regel zu verstärken. Der Zug auf der einen Seite des Hebelarms wird auf der anderen Seite des Hebelarms als Prüfkraft in die Probe eingeleitet. Aus diesem Grund ist zumindest der Hebelarm beweglich zu lagern.
Die Hebelarmprüfmaschine weist wenigstens ein Lager auf. Das Lager ist vorteilhaft ein biegeelastisches Lagergelenk. Wie vorstehend bereits kurz angesprochen und wie nachfolgend noch erörtert wird, hat die Lagerung des Hebelarms Einfluss auf die Messgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit des Prüfergebnisses. Wird der Hebelarm der Hebelarmprüfmaschine mit Hilfe eines biegeelastischen Lagergelenks gelagert, so hat es sich gezeigt, dass der Fehlereinfluss aufgrund der Lagerung verringert wird.
Wird bei der Betriebsweise einer entsprechenden Hebelarmprüfmaschine ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt, so werden die Messungen verbessert. Bei dem Prüfverfahren wird eine Einleitungskraft nicht unmittelbar auf die Prüfprobe aufgebracht, sondern für die Prüfprobe wird eine Einleitungskraft über den Hebelarm in eine Prüfkraft umgewandelt. Wie zuvor dargelegt, lässt sich unter Verwendung einer vorteilhaften Lagerung die Messgenauigkeit, z. B. in einer zuvor erörterten Hebelarmprüfmaschine, erhöhen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Prüfkraft möglichst unverfälscht eingeleitet wird. Für eine möglichst unverfälschte Prüfkraft ist es wichtig, dass der Verschleiß, insbesondere im Laufe der Zeit, klein bleibt. Zu einer unverfälschten Prüfkraft trägt auch bei, wenn möglichst reibungsfrei die Prüfkraft in die Prüfprobe eingeleitet werden kann. Die Erfindung trägt dazu bei, dass – verallgemeinert gesprochen – von einer verschleißfreien und einer reibungsfreien Lagerung in einer entsprechenden Hebelarmprüfmaschine gesprochen werden kann, weil der Verschleiß und auch die Reibung in den Lagerungen über lange Zeit gering bleibt. Die Prüfkraft ist unverfälscht, wenn sie befreit von Querkraftkomponenten eingeleitet werden kann. Querkraftkomponenten können durch Umlenkungen oder Einleitungen entstehen. Wird die Lagerung mittels eines biegeelastischen Elements realisiert, so verhindert das Element die zusätzliche Verfälschung durch Querkraftkomponenten, die aus der Lagerung des Hebelarms, der Probe oder durch die Einleitung der Einleitungskraft hervorgerufen werden können. Wird die Prüfprobe in Schwerkraftrichtung platziert, so sollte die Prüfkraft axial ausgerichtet in die Prüfprobe eingeleitet werden. Werden die Querkraftkomponenten ausgeblendet, so wird die eingeleitete Kraft in den Hebelarm unmittelbar und vollständig als Prüfkraft in die Prüfprobe eingebracht. Die eingestellte Kraft, die als Einleitkraft in den Hebelarm eingebracht wird, gelangt mit ihrem Übersetzungsverhältnis nahezu vollständig als Prüfkraft in die Prüfprobe.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn wenigstens ein Lagerelement, insbesondere das Lagerelement für die zentrale Aufhängung des Hebelarms, ein biegeelastisches Lagerelement ist. Das biegeelastische Lagerelement kann in einer Hebelarmprüfmaschine verbaut werden. Das biegeelastische Lagerelement wirkt blockartig. Als Block werden sämtliche Formen bezeichnet, die zusammenhängend existieren, z. B. als Zylinder, Stäbe, Quader, Rechtecke oder Kuben. Der Block hat eine Längserstreckung. Die Längserstreckung hat somit eine Längsrichtung. Über die Längsrichtung ist eine Kraft zu übertragen. Die Längsrichtung ist somit die Hauptkraftrichtung. Der Block hat zudem eine Quererstreckung. Die Quererstreckung ist nicht an allen Stellen des Blocks gleich. Die Quererstreckung tritt entlang der Längsrichtung mit unterschiedlichen Breiten auf.
Die unterschiedlichen Breiten sind so geformt, dass an zumindest einer Stelle ein Steg zu erkennen ist. Der Steg hat die schmalste Breite in dem Block. Der Steg wird durch verjüngende Formbildung geschaffen. Der Steg ist so schmal, dass bei den erwarteten Kräften das Lagergelenk im Bereich des Stegs eine Biegung vollziehen kann. Die Verjüngungen können der Struktur einer Halbschale folgen. Dazu können Schnitte in den Block eingebracht sein. Die Halbschalen sind in einem gewissen Maße mit Material aufgefüllt. Das Füllmaterial dient als Anschlagsbegrenzung. Die Anschlagsbegrenzung ist in einem Abschnitt ihrer Oberfläche der Schnittform, d. h. insbesondere den Halbschalen nachgebildet. Die der Formbildung nachgeführten Anschlagsbegrenzungen hindern den Block in seiner Drehbeweglichkeit. Die Behinderung ist insbesondere in Quererstreckung vorhanden. Hierzu kann die Anschlagsbegrenzung einteilig ausgebildet sein. Die Anschlagsbegrenzung stellt ein Stück des Lagerelements bzw. des Lagergelenks dar.
Als vorteilhaft stellte sich ein Lagergelenk heraus, dessen Stegbreite ca. 1/15 bis 1/35 der Gesamthöhe des Blocks entsprach. Jeder der beiden Schnitte zur Stegbildung wird bevorzugt als waagrechter Schnitt, d. h. quer zur Längserstreckung des Blocks, an welchen sich ein Kreisbogensegment anschließt verwirklicht. Der waagrechte Schnitt hat vorzugsweise eine Länge von ca. 1/3 bis 1/10 der Gesamthöhe des Blocks und ist damit ca. 3- bis 8-mal so lang wie der Steg breit ist. Der Radius des Kreisbogensegments ist abhängig von der Länge des waagrechten Schnitts, der Stegbreite und der Höhe des Blocks. Als vorteilhaft erwies es sich, wenn der Radius der 0,5–1,5-fachen Höhe des Blocks entspricht. Die Schnittbreite wird von der gewünschten Biegung abhängen, da hierdurch ein Anschlag bereitgestellt wird. Als vorteilhaft stellte sich heraus, wenn der Schnitt schmäler als oder maximal so breit wie der Steg ist, z. B. 20–80% der Stegbreite.
Das Übersetzungsverhältnis des Hebelarms beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführung zwischen 1:10 und 1:50. Über solche Hebelarme können Prüfkräfte von z. B. 2500 kN eingeleitet werden. Die anderen bekannten Lagerungen eines Hebelarms lassen solche hohen Prüfkräfte in den geforderten Genauigkeitsklassen nicht zu.
Die erfindungsgemäße Hebelarmprüfmaschine zeigt geringere Fehlereinflüsse. Bei den kritischen Langzeituntersuchungen kann von einer nahezu verschleißfreien Lagerung ausgegangen werden. Die durch die Lagerung hervorgerufenen Fehlerbestandteile in dem Messergebnis werden durch die geschickte Lagerung vorteilhaft erst gar nicht erzeugt.
Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den nachfolgenden Ausführungen entnehmen.
Das biegeelastische Lagergelenk hat einen, an wenigstens einer Stelle eingeschnürten Kraftübertragungsblock. Der Kraftübertragungsblock ist in einer Einschnürrichtung durch eine Bildung eines Stegs verjüngt. Über den Kraftübertragungsblock kann in einer zur Einschnürrichtung quer verlaufenden Kraftübertragungsrichtung eine Prüfkraft übertragen werden, z. B. auf in Kraftrichtung nachfolgend angeordnete Prüfprobe.
Es ist vorteilhaft, wenn der Kraftübertragungsblock seine längste Erstreckung in Kraftübertragungsrichtung hat.
Die Hebelarmprüfmaschine hat in einer Ausgestaltung einen Hebelarm, der die Prüfprobe von oben überspannt. Der Hebelarm ist so aufgehängt, dass mit zwei unterschiedlichen Hebelarmlängen operiert werden kann. Der Hebelarm ist schwenkbeweglich um einen Drehpunkt gelagert, wobei sich jeweils zu einer Seite um den Drehpunkt herum, ein Hebelarm erstreckt. Der Drehpunkt ist in dem Steg des Kraftübertragungsblocks angesiedelt.
In einer Hebelarmprüfungsmaschine sind in der Regel mehrere bewegliche Punkte vorzusehen. Daher gibt es verschiedene Gelenke. Die Gelenke können unterschiedlich gestaltet sein. Ein Gelenk kann ein Kugelgelenk sein. Ein Gelenk kann ein biegeelastisches Lagergelenk sein. Ist der Hebelarm durch ein biegeelastisches Lagergelenk gelagert, so können seitlich, insbesondere in den Hebelarm eingreifend, weitere biegeelastische Lagerelemente vorgesehen sein. Jedes einzelne biegeelastische Lagerelement kann einen eigenen Steg aufweisen. Die Stege der Kraftübertragungsblöcke sollten für die Erzielung besonderer Vorteile mit ihren Drehpunkten in einer einzigen Ebene aufgereiht sein, wenn sie sich über eine gemeinsame Achse erstrecken. An dem Hebelarm sind die Kraftübertragungsblöcke so vorhanden, dass über diese Kräfte ein- oder ausgeleitet werden können.
Der Hebelarm der Hebelarmprüfmaschine ist so aufgehängt, dass er entgegen der Schwerkraft beweglich angeordnet ist. Hierzu sind verschiedene Lagerweisen vorstellbar. Als Lagerort kann die Traverse genutzt werden, die die Hebelarmprüfmaschine von der Oberseite her zusammenhält. Vorteilhaft ist es, wenn der Hebelarm entgegen der Schwerkraft an der Traverse angebracht ist, das bedeutet, die Lagerung erfolgt nicht auf der Seite des Hebelarms, der in Richtung auf den Boden gerichtet ist, sondern in die entgegengesetzte Richtung, also sozusagen in Richtung auf den „Himmel”. Die Schwerkraft zieht bei dieser Betrachtungsweise nach unten, die Lagerung erfolgt nach oben.
Die Traverse lässt sich auf Säulen, z. B. auf Ecksäulen, befestigen. Die Ecksäulen fassen den Prüfraum ein. Der Prüfraum befindet sich zwischen den Säulen, die in den Ecken der Traverse münden. An der Traverse ist der Hebelarm in seinem Drehpunkt aufgehängt.
An dem Hebelarm sind Mittel zur Einleitung und Ausleitung von Kräften, wie eine Einleitungskraft und die Prüfkraft, angebracht. Solche Mittel können Schalen, Ketten, Stäbe, Stangen und sonstige Kraftübertragungsmittel sein. In den Hebelarm hinein und aus dem Hebelarm heraus erfolgt die Einleitung und Ausleitung der Kraft über den Hebelarm auf der Schwerkraftseite des Hebelarms, also nach unten.
Das biegeelastische Lagergelenk ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein an wenigstens einer Stelle zu einem Steg eingeschnürter Kraftübertragungsblock. Der Steg wird z. B. durch aufeinander zulaufende Kreisbögen gebildet. Die Kreisbögen können in den Kraftübertragungsblock einerodiert sein
Vorzugsweise wirken die Kreisbögen wie Schnitte. Die Schnitte sind in den Kraftübertragungsblock eingebracht. Auf einen ersten Blick wirkt der Kraftübertragungsblock wie ein massiver Block, in dem an ausgewählten Stellen Schnitte zur Bildung von Bewegungsräumen eingebracht sind. Somit bleiben die blockartigen Außenabmessungen des Kraftübertragungsblocks erhalten. Folglich bleibt parallel zu dem Steg, durch einen Spaltabstand separiert, Material, das ursprünglich aus dem Kraftübertragungsblock selbst stammt, als Hinderungsblock vorhanden. Der Hinderungsblock schafft eine Verbiegungsgrenze für das elastische Lagergelenk.
In der Hebelarmprüfmaschine können zwei zentrale Achsen erkannt werden. Eine Achse verläuft durch den Hebelarm. Eine Achse verläuft durch den Prüfraum. Die zwei Achsen können als horizontale und axiale Achse bezeichnet werden. Die horizontale Achse verläuft in dem Hebelarm. Und die axiale Achse verläuft durch die Prüfprobe. Auf den Achsen aufgereiht, also entlang den Achsen, sind einzelne biegeelastische Gelenke angeordnet. Horizontale und axiale Auslenkungen lassen sich durch ein Zusammenwirken der biegeelastischen Lagergelenke (in einem gewissen Rahmen) kompensierbar. Vorteilhaft bleibt während dessen eine Hebelübersetzung der Prüfkraft mit Hilfe des Hebelarms erhalten.
In einer Hebelarmprüfmaschine kann ein biegeelastisches Lagergelenk ein Kraftübertragungselement sein, in dem eine Längsrichtung über eine Verjüngungsstelle geführt ist, deren Knickbewegung durch wenigstens einen, seitlich der Verjüngungsstelle vorhandenen, an einer Seite mit dem Kraftübertragungselement verbundenen Anschlagsbogen gebremst wird. Der Anschlagsbogen als Teil des Kraftübertragungselements begrenzt die maximale Auslenkung.
Vorzugsweise hat der Anschlagsbogen eine ähnliche Krümmung wie die Verjüngungen, die den Steg ergeben. Die Einschnittbildung verläuft auf die Verjüngungsstelle zu. Der Anschlagsbogen kann materialgleich wie der restliche Block sein. Z. B. kann der Anschlagsbogen aus einem warmbehandelten Werkzeugstahl hergestellt sein. Der Anschlagsbogen kann sich einstückig als Teil des Kraftübertragungselements aus diesem herausbilden.
Die Hebelarmprüfmaschine hat den Prüfraum auf einer mittleren Höhe, z. B. in Handhabungshöhe. Oberhalb des Prüfraums, der zur Aufnahme der Prüfprobe bestimmt ist, ist ein kugelartiges Gelenk angeordnet. Das bedeutet, nicht alle Gelenke sind vollkommen identisch. Das kugelartige Gelenk kann zwischen Hebelarm und Prüfraum angesiedelt sein. So kann in einer Ausgestaltung die Hebelarmprüfmaschine als Ansammlung unterschiedlicher Gelenke betrachtet werden. Ein Gelenk ist ein entsprechender Block, der ein biegeelastisches Lagergelenk darstellt.
Auch kann zusätzlich ein Ofen vorhanden sein. Mit dem Ofen können Temperaturtests durchgeführt werden. Bei einer vorteilhaften Hebelarmprüfmaschine wird der Prüfraum, in dem die Prüfprobe ortsfest anzubringen ist, durch einen den Prüfraum einschließenden Ofen umschlossen. Der Ofen kann wiederum an den Ecksäulen befestigt sein. Der Ofen dient zur Temperierung der Probe. Die Gelenke sind vorteilhaft außerhalb des Ofens angeordnet.
Es ist vorteilhaft, wenn wenigstens zwei der biegeelastischen Gelenke parallel in umgedrehten Orientierungen, z. B. innerhalb des Hebelarms, angeordnet sind. Innerhalb bedeutet, dass ein wesentlicher Teil in dem Hebelarm liegt. Die Drehpunkte der biegeelastischen Gelenke können an einer der dünnsten Stellen in den biegeelastischen Gelenken liegen.
Die Einleitungskraft sollte einstellbar sein. So können unterschiedliche Prüfprofile auf eine Probe aufgebracht werden. Die Einleitungskraft wird über ein Zugmittel, wie eine Kette oder eine Stange, parallel zu einer Prüfrichtung in den Hebelarm eingebracht. Der Hebelarm bietet das Übersetzungsverhältnis, das sich aus zwei Hebelarmlängen bildet. Jeweils eine Hebelarmlänge ist an einer Seite des Drehpunkts (der zentralen Schwenkstelle) angesiedelt. Die Prüfkraft, die insbesondere höher ist als die Einleitungskraft, ergibt sich aus der Einleitungskraft, multipliziert mit dem Verhältnis aus dem Hebelarm.
Für die weiteren Betrachtungen vorteilhaft ist es, wenn die Abweichungen von der Axialität nach ihren Fehlerursachen aufgegliedert werden. So lässt sich nach Geometriefehler und Probenfehler unterscheiden. Ein Probenfehler kann viele Ursachen haben. Eine Ursache kann z. B. darin liegen, dass das Gewinde, an dem die Probe befestigt wird, mit einer Schräge eingeschnitten worden, sodass die Probe nicht vollständig in axialer Verlängerung der Prüfkraftrichtung liegt. Zudem kann bei thermischen Prüfungen die Probe Verzwängungen hervorrufen. Mit dem Begriff „Probenfehler” werden räumliche Abweichungen aus der axialen Richtung in der Belastung auf die Probe bezeichnet. Mit dem Begriff „Geometriefehler” werden Fehler bezeichnet, die z. B. durch die Wipp- oder Drehbewegung des Hebelarms hervorgerufen werden. Mit dem Begriff „Geometriefehler” lassen sich auch solche Fehlereinflüsse erfassen, die nach einer Hebelbewegung zu schräg ein- oder ausgeleiteten Kräften in den oder aus dem Hebelarm führen.
An folgenden Stellen in der Hebelarmprüfmaschine können biegeelastische Gelenke besonders vorteilhaft verwendet werden. Für die Lagerung des Hebelarms bietet sich ein biegeelastisches Gelenk an. Für die Lagerung des Laststrangs, also der an einer Achse angeordneten Bauteile für die Prüfkraft, bietet sich die Verwendung eines biegeelastischen Gelenks an. Mit Hilfe des biegeelastischen Gelenks kann zudem der Geometriefehler bei der Hebelbewegung des Hebelarms zugleich ausgeglichen werden. Der Laststrang, in dem die Prüfkraft übertragen wird, wird über ein biegeelastisches Element gelagert. Auch der Gewichtsstrang kann über ein biegeelastisches Element gelagert werden. In dem Gewichtsstrang wird die Gewichts- bzw. die Federkraft übertragen. Mit Hilfe eines biegeelastischen Gelenks kann auch an dieser Stelle der Geometriefehler bei der Hebelbewegung ausgeglichen werden. Durch ein weiteres biegeelastisches Gelenk kann der Geometriefehler des Hebelarms in der Prüfachse ausgeglichen werden. Mit Hilfe von einem oder mehreren Kugelgelenken lassen sich zudem Probenfehler ausgleichen. Die Elastizität in den Gelenken, insbesondere durch die in dem blockartigen Gelenk vom eingeschnittenen Bogen erlaubte Bewegung, gleicht die Fehler zumindest teilweise aus bzw. lässt sie erst gar nicht zu.
Die Lagerung des Hebelarms mit Hilfe von biegeelastischen Lagergelenken an Stelle der bisher üblichen Lagerungsarten verringert die Reibungsverluste und die damit einhergehenden Messergebnisverfälschungen. Die Materialalterung des Lagergelenks kann bei der ausgewählten Lagerungsart außer Betracht bleiben. Die durch die Lagerung verursachten Fehler können während der gesamten Betriebsdauer der Hebelarmprüfmaschine als konstant angesehen werden.
Normungsgemäß wird bei einigen Prüfungen gefordert, dass der maximale Fehler 1% nicht überschreiten darf, unabhängig von der eingestellten Prüfkraft, was insbesondere bei kleinen Prüfkräften eine besondere Herausforderung darstellt. Die erfindungsgemäße Lagerung erlaubt Hebelarmprüfmaschinen, für die Genauigkeiten unterhalb von 0,2% garantiert werden können.
Die erfindungsgemäßen Gelenke tragen dazu bei, dass man davon ausgehen darf, dass die Hebelarmprüfmaschine keinen mechanischen Verschleiß in ihren Lagerungen mehr hat. Die Lagerungen können als reibungsfrei angesehen werden. Die Messgenauigkeit wird auch über die Zeit nicht verschlechtert.
Ein biegeelastischer Querschnitt ergibt sich durch zwei gegenläufige Einschnitte, die konstruktiv so gestaltet sind, dass sich in Biegerichtung, also lateral, eine maximal weiche Verbiegung ergibt, jedoch in axialer Richtung eine möglichst steife Verbiegung darstellt. Außerdem ist ein vorteilhaftes Biegegelenk so gestaltet, dass es gegen zu große Biegeauslenkungen geschützt ist. Ab einer gewissen Auslenkung stoßen die Radiusflächen nach Überbrückung des zwischen ihnen gegebenen Spalts mechanisch aneinander und begrenzen so die maximale Biegung.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert und beschrieben werden, ohne die Erfindung auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen zu beschränken. Es zeigen:
1: eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Hebelarmprüfmaschine;
2: eine Seitenansicht der Hebelarmprüfmaschine der 1;
3: einen Schnitt A-A durch die Hebelarmprüfmaschine in 1;
4: eine Aufsicht durch einen Hebelarm der erfindungsgemäßen Hebelarmprüfmaschine der 1;
5: eine Seitenansicht durch den Hebelarm der 4, wobei die Vorderwand weggelassen worden ist;
6: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen biegeelastischen Lagergelenks in Vorderansicht (A), Seitenansicht (B) und Aufsicht (C);
7: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen biegeelastischen Lagergelenks in Vorderansicht (A), Seitenansicht (B) und Aufsicht (C);
8: ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen biegeelastischen Lagergelenks in Vorderansicht (A), Seitenansicht (B) und Aufsicht (C);
9: ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen biegeelastischen Lagergelenks in Vorderansicht (A), Seitenansicht (B) und Aufsicht (C);
10: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hebelarmprüfmaschine.
In den 1 bis 3 wird eine erfindungsgemäße Hebelarmprüfmaschine 1 in verschiedenen Ausgestaltungen mit einem oben liegenden Hebelarm 25 gezeigt, der von der Traverse 13 gehalten wird. Unter dem Hebelarm 25 ist der Arbeitsraum vorhanden, in dem z. B. der Ofen 5 zur Aufnahme einer Prüfprobe 65 geöffnet werden kann. Der Hebelarm 25 ist entgegen der Schwerkraft F_G über das erste Lager 67 gelagert. Das Lager 67 befindet sich zwischen Traverse 13 und Hebelarm 25. Das Lager 67 kann als alterungsunabhängig und als reibungsfrei betrachtet werden.
An verschiedenen Stellen in der Hebelarmprüfmaschine 1 sind Lagergelenke 69, 71, 73, 75, 77 platziert, die entweder ein kugelartiges Gelenk 79 oder ein Kraftübertragungsblock 100, 200 sind.
Der Kraftübertragungsblock 100 ist in 6 zu sehen. Eine weitere Ausführungsform eines Kraftübertragungsblocks 200 ist in 7 zu sehen.
Die Einleitungskraft F_E wird über das Lagergelenk 69 in den Hebelarm 25 eingeleitet, um durch das Hebelarmverhältnis aus den beiden Hebelarmlängen 41, 43 übersetzt als Prüfkraft F_P auf die Prüfprobe 65 ausgeleitet zu werden. Die Prüfkraft F_P wirkt entgegen der Schwerkraft F_G. In einer vereinfachten Betrachtung, jedoch vollständig im Rahmen der einschlägigen Normenwerke zulässig, kann davon ausgegangen werden, dass die Einleitungskraft F_E unmittelbar und vollständig als Prüfkraft F_P zur Probe 65 gelangt.
Weitere vorteilhafte Aspekte kann der Fachmann den 1 bis 7 unmittelbar entnehmen.
3 zeigt eine Ansicht von oben entlang des Schnitts A-A nach 1.
Über einen Steuerschrank 7 können die aufgebrachten Kräfte eingestellt werden. Die Einleitungskraft F_E wird über ein Gewicht 26 eingestellt. Die Einleitungskraft F_E ist variierbar.
Die einstellbare Kraft wird über den Hebelarm 25 in die Prüfkraft F_P umgewandelt. Hierfür ist der Hebelarm 25 an dem Drehpunkt 45 drehbeweglich gelagert. Der Hebelarm 25 weist zu jeder Seite 47, 49 des Drehpunkts 45 eine Hebelarmlänge 41, 43 auf. Die Hebelarmlängen 41, 43 sind unterschiedlich lang. Damit der Hebelarm 25 möglichst austariert in einer horizontalen Lage liegt, hat der Hebelarm 25 eine Tariermechanik bzw. ein Tarierwerk 51. Der Hebelarm 25 ist ein Hohlkörper, der sich aus einer ersten Wand 27, einer zweiten Wand 29, einem ersten Abstandshalter 33 und einem zweiten Abstandshalter 35 zusammensetzt. Die Wände 27, 29 und die Abstandshalter 33, 35 erstrecken sich längs, sodass der Hohlraum geöffnet von der Schwerkraftseite 53 zu der oberen Seite 55 durch den Hebelarm 25 durchreicht. Im Inneren des Hebelarms 25 können einzelne Lagergelenke 69, 71, 73 angeordnet werden. Im Inneren des Hebelarms 25 ist ausreichend Platz dargeboten, dass das Tarierwerk 51 und weitere Bauteile, wie z. B. die Lagergelenkhalteschale 31, dort angeordnet werden können. Mit Hilfe von Schrauben 37, 39 lassen sich die einzelnen Bauteile, wie z. B. das Tarierwerk 51, an den Wänden 27, 29 und an den Abstandshaltern 33, 35 anschrauben.
Die Lagergelenkhalteschale 31 ist das Befestigungsmittel für wenigstens einige (71, 73) der Lagergelenke 69, 71, 73, 75, 77.
Die Lagergelenke 69, 71, 73, die im Hebelarm 25 angeordnet sind, erstrecken sich in einer Ebene 57. Die Ebene 57 lässt sich anhand der Drehpunkte der einzelnen Kraftübertragungsblöcke ermitteln. Die Drehpunkte, wie der Drehpunkt des Hebelarms 25, liegen in der gleichen Ebene 57. Es kann eine erste Achse 59 durch die Drehpunkte im Inneren des Hebelarms 25 gezogen werden. Eine weitere Achse 61 steht nahezu senkrecht auf der ersten Achse 59. Die zweite Achse 61 kann durch die Prüfprobe 65 gezogen werden.
Die Hebelarmprüfmaschine 1 wird auf der einen Seite durch die Gehäuse 9, 11 abgeschlossen. In den Gehäuse 9, 11 sind die Steuerungs- und Kraftausübungs- bzw. Kraftmessvorrichtungen angeordnet. Die Hebelarmprüfmaschine 1 wird an der anderen Seite durch die Traverse 13 abgeschlossen. Die Traverse 13 stellt die obere Begrenzung der Hebelarmprüfmaschine 1 dar. Die Hebelarmprüfmaschine bietet zwischen der unteren Antriebsspindel 81 und der Traverse 13 einen Platz für den Prüfraum 3. Die Traverse 13 dient zudem als Befestigungsplatte des Hebelarms 25. Die Traverse 13 wird durch die Säulen 15, 17, 19, 21 in ihrer Position gehalten. In die Säulen 15, 17, 19, 21, die ausreichend stabil ausgelegt sind, sind Schraubgewinde an ihren Enden eingeschnitten, auf die die Traverse 13 aufgesetzt werden kann. Außerhalb der Traverse 13 greift an den Hebelarm 25 ein Mittel 23 zur Einleitung der Einleitungskraft F_E an. Die eingeleitete Kraft wird als Prüfkraft F_P wieder über eine Kraftübertragungseinrichtung 64 ausgeleitet. Die Kraftübertragungseinrichtung 64 übt in Kraftübertragungsrichtung 63 eine Kraft aus. Der Hebelarm 25 ist über ein erstes Lager 67 an der Traverse 13 angebunden.
Die Säulen 15, 17, 19, 21 sind so weit beabstandet, dass zwischen den Säulen 15, 17, 19, 21 nicht nur Platz für eine Probe 65 ist, sondern auch ein Ofen 5 schwenkbeweglich zwischen den Säulen angesiedelt werden kann. Der Ofen 5 kann die Probe 65 umschließen und während einer Materialprüfung temperieren.
Das Lagergelenk 69 befindet sich zwischen dem Mittel 23 zur Einleitung der Einleitungskraft F_E und dem Hebelarm 25. Das Lagergelenk 69 ist auf Höhe der Ebene 57 befestigt. Das Lagergelenk 69 bietet eine Ausgleichsmöglichkeit für die Einleitung der Einleitungskraft F_E an, sodass die Kraft F_E möglichst senkrecht in den Hebelarm 25 eingeleitet werden kann. Der Hebelarm 25 ist schwenkbeweglich um den Drehpunkt 45 herum durch das Lager 67 gelagert. Ein Lagergelenk 71 bietet eine schwenkbewegliche Nachgiebigkeit. Ein weiteres Lagergelenk 73 steht zur Ausleitung der Kraft aus dem Hebelarm 25 zur Verfügung. Über das Lagergelenk 73 wird die Prüfkraft F_P an die Kraftübertragungseinrichtung 64 abgegeben. Zum Ausgleich von vertikalen Auslenkungen ist ein Lagergelenk 75 vorgesehen. Als vorteilhaft hat sich kugelartiges Gelenk 79 erwiesen. Ein weiteres Gelenk 77 ist unterhalb der Prüfprobe 65 angeordnet. Längungen der Prüfprobe lassen sich durch die Gelenke 73, 75 und 77 ausgleichen. Auslenkungen des Hebelarms 65 lassen sich durch die Gelenke 69, 71, 73 ausgleichen.
Über die Spindel 81, die von dem elektromechanischen Antrieb 83 angetrieben werden kann, wird eine Kraft auf die Probe im Prüfraum 3 eingebracht. Über die Einstellung des elektromechanischen Antriebs 83 lässt sich die Einleitungskraft F_E einstellen.
Die Gelenke 69, 71, 73 werden durch Kraftübertragungsblöcke wie die Kraftübertragungsblöcke 100, 100', 200, 200' gebildet.
Der Kraftübertragungsblock 100 ist ein massiver Block, der eine Stelle 101 aufweist, die im Vergleich zu dem restlichen Block eine eingeschnürte Stelle ist. Der massive Block 100 wird durch seine Außenabmessungen 107 bestimmt, die sich aus den Erstreckungen 109, 111, 113 ergeben. In die Richtung der Erstreckung 111 verlaufen Schnitte 119, 121 in dem Block 100. Die Schnitte 119, 121 verjüngen den für die Übertragung der Prüf- oder Einleitungskraft F_P, F_E zur Verfügung stehenden Querschnitt in dem Block 100. Die Schnitte 119, 121 sind in den Block 100 einerodiert. Jeder Schnitt 119, 121 setzt sich aus Teilschnitten 123, 125 zusammen. Von der Seite des Blocks 100 aus startend erstreckt sich zunächst ein waagerechter Schnitt 123, an den sich ein gebogener Schnitt 125 anschließt. Durch die gebogenen Schnitte 125, die einem Kreisradius folgen, bilden sich Kreisbögen 115, 117. Zwischen den Kreisbögen 115, 117 verbleibt ein Steg 105. Der Steg 105 erstreckt sich in Einschnürrichtung 103. Die Einschnürrichtung 103 liegt quer zur vorgesehenen Kraftübertragungsrichtung 63.
Durch die Schnitte 119, 121 wird soviel Material aus dem Block 100 herausgenommen, z. B. herauserodiert, dass sich Spaltabstände 127, 129 bilden. Jenseits der Spaltabstände wird Material in dem Block 100 stehen gelassen, weil die Schnitte 119, 121 nur Einschnitte und keine durchlaufenden Schnitte sind. Die stehen gelassenen Materialmengen, die kreisbogenartige Oberflächen haben, bieten Anschlagsbögen 131, 133, damit sich der Block 100 nur in seitlicher Richtung begrenzt umbiegen kann.
Die Schnitte 119, 121 sind so eingebracht, dass die Stege 103 quer zur Schwerkraft F_G in den Blöcken 100 verlaufen. Durch die Stegbreite der Stege 103 wird die maximal übertragbare Kraft eingestellt. Durch den Radius der Kreisbögen 115, 117 wird das Knick- bzw. Abwinkelverhalten der Blöcke 100 eingestellt. Durch die Anschlagsbögen 131, 133 wird die Knickweite begrenzt.
Der Kraftübertragungsblock 200 nach 7 ähnelt dem Kraftübertragungsblock 100 nach 6. Der Kraftübertragungsblock 200 bietet zusätzliche Bohrungen 235, die mit Gewinden versehen zur Anbindung weitere Bauteile, wie der Lagergelenkhalteschale 31 oder wie der Kette als Mittel 23 zur Einleitung einer Einleitungskraft, Schrauböffnungen anbieten. Der Kraftübertragungsblock 200 ist insgesamt etwas graziler, insbesondere schmaler als der Kraftübertragungsblock 200. Der Kraftübertragungsblock 200 arbeitet mit gerundeten Oberflächen. Die Biegeweite bestimmt sich aus dem Freiraum, den die Schnitte einräumen.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftübertragungsblocks 100' aus verschiedenen Ansichten (8A, 8B, 8C). Der Kraftübertragungsblock 100' weist in seinen Randgebieten mehrere Ausnehmungen 135, 137 auf, die unterschiedliche Durchmesser haben. Die Ausnehmungen 135, 137 können dazu verwendet werden, dass die Kraftübertragungsblöcke 100' in Lagerschalen eingelegt und dort angeschraubt werden können, damit die Kraftübertragungsblöcke 100' die jeweils an den Enden des Kraftübertragungsblocks 100' übergestülpten Lagerschalen in biegeelastischer Weise voneinander trennen und zugleich mechanisch fest miteinander verbinden. Der Kraftübertragungsblock 100' ähnelt dem Kraftübertragungsblock 100 in seiner äußeren Erscheinungsform. Der Kraftübertragungsblock 100' – abweichend vom Kraftübertragungsblock 100 – hat teilweise gerundete Oberflächen (siehe Erstreckung 113'). Insgesamt ist der Kraftübertragungsblock 100' ein flacher, länglicher Gegenstand, bei dem zwei Seiten leicht gerundet sind. Die übrigen Seiten (siehe die Richtungen 109' und 111') sind eben und flach. Von einer der Seiten (siehe Erstreckung 111') sind Schnitte 119', 121' in den Kraftübertragungsblock eingebracht. Die Schnitte 119', 121' sind so breit, dass sie einen Bewegungsraum bieten. Der Kraftübertragungsblock 100' ist ein zusammenhängender, einstückiger Block, der über die Schnitte 119', 121' Verwindungsmöglichkeiten in sich selber anbietet. Die Schnitte 119', 121' sind auf eine Stelle 101' gerichtet. Die Stelle 101' ist eine Engstelle. An der Engstelle 101' ist der Querschnitt, der für die Kraftübertragung im Kraftübertragungsblock 100' zur Verfügung steht, so breit, dass die maximal zu erwartende, zu übertragende Kraft ohne Beschädigung des Kraftübertragungsblocks 100 übertragen werden kann.
Auch der Kraftübertragungsblock 200' (siehe 9) hat eine ähnliche Oberflächengestaltung, wie der Kraftübertragungsblock 100', nämlich teilweise gerundete Oberflächen; er ähnelt aber in seinen Abmessungen (siehe die Erstreckungen 209', 213') dem Kraftübertragungsblock 200. An den Bohrungen 235, in die Gewinde eingeschnitten sind, können Bauteile wie ein Hebelarm 25 oder eine Traverse 13, befestigt, genauer gesagt angeschraubt, werden. Der Kraftübertragungsblock 200' ist ein säulenartiger Block, der die Funktion eines biegeelastischen Gelenks übernehmen kann. Für diese Aufgabe hat der biegeelastische Kraftübertragungsblock 200 eine Engstelle 201, in der ein Steg 205 ausgebildet ist. Das übrige Material des Kraftübertragungsblocks 200 kann relativ zu dem Steg 205 jenseits der Engstelle, weil wenige Millimeter beabstandet, vorbeigleiten bzw. in der Bezugsposition verschoben werden.
Die Hebelarmprüfmaschine 301, dargestellt in 10, ähnelt der Hebelarmprüfmaschine 1 nach den 1 bis 3. Die Einleitungskraft F_E wird abweichend von der Hebelarmprüfmaschine 1 in den Hebelarm 325 durch ein Federsystem eingebracht. Die gewünschte Einleitungskraft F_E lässt sich durch Einstellungen am Steuerschrank 307 über die Antriebsspindel 381 inklusive dem elektromechanischen Antrieb hierfür (nicht in 10 zu sehen; ähnlich zu dem elektromechanischen Antrieb 83 nach 1) bestimmen. Die Ebene 359 liegt in dem Hebelarm 325. In der Ebene 357 sind die Drehpunkte einzelner Lagergelenke 369, 371, 373 zu finden. Der Hebelarm 325 ist, wie auch der 1 zu dem Hebelarm 25 zu entnehmen ist, unterhalb der Traverse 313 angeordnet. Somit ist die Schwerkraftseite 353, die Seite, die dem Boden näher ist, freitragend. Das Lager 367, das den Hebelarm 325 an der Traverse 313 trägt, ist auf der dem Prüfraum 303 bzw. dem Ofen 305 abgewandten Seite des Hebelarms 325 angeordnet. Über die Säulen 315, 319 wird die Traverse 313 von dem Prüfraum 303 beabstandet. Zum Ausgleich von Auslenkungen aus der Achse 361, insbesondere, wenn die Achse 359 bewegt wird, sind Gelenke 375, 377 vorgesehen, die z. B. kugelartige Gelenke 379 oder auch solche Gelenke wie der Block 100 oder der Block 200 sein können. Die Einleitungskraft F_E wird über das Zugmittel 323, genauer gesagt über eine Kette, in den Hebelarm 325 eingeleitet. Auf der anderen Seite des Drehpunkts des Hebelarms 325 wird die Kraft als Prüfkraft F_P wieder ausgeleitet.
Das Gehäuse 309 ist ein bodennahes Gehäuse, in dem die Kraft aus den Federn für die Prüfprobe aufgebracht wird. Oberhalb des Gehäuses 309 befindet sich der Prüfraum 303. Oberhalb des Prüfraums 303 folgt der Hebelarm 325. Das Lager 367 für den Hebelarm 325 befindet sich an erhöhter Stelle. Das Lager 367 ist nicht auf der Schwerkraftseite 353, sondern auf der Seite, die zur Traverse 313 hin gerichtet ist. Die Traverse 313 ist das quer verlaufende, abschließende Bauteil des zwischen den Säulen angesiedelten Arbeitsbereichs mit dem Prüfraum 303. Durch das Zugmittel 323 kann die Kraft eingeleitet werden.
Durch den Einsatz von biegeelastischen Gelenken, insbesondere denen in den 6, 7, 8, 9 gezeigten Kraftübertragungsblöcken 100, 100', 200, 200', kann eine Hebelarmprüfmaschine 1, 301 mit einem gleich bleibenden Hebelarmverhältnis die Einleitungskraft F_E in eine Prüfkraft F_P umsetzen. Die Kreisbewegung um den Drehpunkt des Hebelarms 25 wird über zumindest ein biegeelastisches Gelenk ermöglicht. Es erfolgt nahezu keine Bewegung aus der Prüfachse heraus. Die gesamte Prüfkraft F_P wird in die Prüfprobe nahezu unverfälscht eingeleitet.
Mit Hilfe von biegeelastischen Elementen bzw. Gelenken, insbesondere bei den Bauteilen der Kraftübersetzung, lassen sich die Prüfungen von Materialproben genauer durchführen. Ein Prüffehler, insbesondere systematischer Prüffehler der Prüfanlage, lässt sich reduzieren; die Messungen werden genauer. Langzeiteffekte wirken sich nicht mehr so nachteilig aus wie in den zuvor bekannten Prüfmaschinen.
Bezugszeichenliste

1: Hebelarmprüfmaschine
3: Prüfraum
5: Ofen
7: Steuerschrank
9: erstes Gehäuse
11: zweites Gehäuse
13: Traverse
15: erste Ecksäule
17: zweite Ecksäule
19: dritte Ecksäule
21: vierte Ecksäule
23: Mittel, insbesondere zur Einleitung einer Einleitungskraft
25: Hebelarm
26: Gewicht
27: erste Wand, insbesondere Vorderwand des Hebelarms
29: zweite Wand, insbesondere Rückwand des Hebelarms
31: Lagergelenkhalteschale
33: erster Abstandshalter
35: zweiter Abstandshalter
37: Schraube, insbesondere des ersten Typs
39: Schraube, insbesondere des zweiten Typs
41: erste Hebelarmlänge
43: zweite Hebelarmlänge
45: Drehpunkt, insbesondere des Hebelarms
47: erste Seite des Drehpunkts
49: zweite Seite des Drehpunkts
51: Tariermechanik
53: Schwerkraftseite
55: obere Seite
57: Ebene, insbesondere der Drehpunkte
59: erste Achse
61: zweite Achse
63: Kraftübertragungsrichtung
64: Kraftübertragungseinrichtung
65: Prüfprobe
67: erstes Lager
69: erstes Lagergelenk
71: zweites Lagergelenk
73: drittes Lagergelenk
75: viertes Lagergelenk
77: fünftes Lagergelenk
79: kugelartiges Gelenk
81: Spindel, insbesondere untere Antriebsspindel
83: elektromechanischer Antrieb
100: Kraftübertragungsblock (erstes Ausführungsbeispiel)
100': Kraftübertragungsblock (drittes Ausführungsbeispiel)
101: Stelle, insbesondere eingeschnürte Stelle
101': Stelle, insbesondere Engstelle
103: Einschnürrichtung
105: Steg
107: Außenabmessung, insbesondere des Kraftübertragungsblocks
109: erste Erstreckung, insbesondere des Kraftübertragungsblocks
109': erste Ersteckung bzw. erste Seite, insbesondere des Kraftübertragungsblocks
111: zweite Erstreckung, insbesondere des Kraftübertragungsblocks
111': zweite Erstreckung bzw. zweite Seite
113: dritte Erstreckung, insbesondere des Kraftübertragungsblocks
113': dritte Erstreckung bzw. dritte Seite
115: erster Kreisbogen
117: zweiter Kreisbogen
119: erster Schnitt
119': erste Materialausnehmung, insbesondere in schnittförmiger Gestaltung
121: zweiter Schnitt
121': zweite Materialausnehmung, insbesondere in schnittförmiger Gestaltung
123: waagerechter Schnitt
125: gebogener Schnitt
127: erster Spaltabstand
129: zweiter Spaltabstand
131: erster Anschlagsbogen
133: zweiter Anschlagsbogen
135: Ausnehmung, insbesondere in einer Seite des Kraftübertragungsblocks
137: Ausnehmung, insbesondere in einer Seite des Kraftübertragungsblocks
200: Kraftübertragungsblock (zweites Ausführungsbeispiel)
200': Kraftübertragungsblock (viertes Ausführungsbeispiel)
201: Stelle, insbesondere eingeschnürte Stelle
205: Steg bzw. Kraftübertragungsengstelle
209': Erstreckung bzw. Seite
213': Erstreckung bzw. Seite
235: Ausnehmung bzw. Bohrung
235': Gewindebohrung
301: Hebelarmprüfmaschine
303: Prüfraum
305: Ofen
307: Steuerschrank
309: Gehäuse
313: Traverse
315: Säule
319: Säule
323: Zugmittel
325: Hebelarm
353: Schwerkraftseite
357: Ebene
359: Achse
361: Achse
367: Lager
369: Lagergelenk
371: Lagergelenk
373: Lagergelenk
375: Gelenk
377: Gelenk
379: kugelartiges Gelenk
381: Spindel
F_P: Prüfkraft
F_G: Schwerkraft
F_E: Einleitungskraft

Claims

Hebelarmprüfmaschine (1), mit der eine Prüfkraft (F_P) als Zugprüfkraft auf eine Prüfprobe (65), aufzubringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lager (67) ein biegeelastisches Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) umfasst, wobei ein Hebelarm (25) der Hebelarmprüfmaschine (1) mit dem biegeelastischen Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) gelagert ist.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (25) der Hebelarmprüfmaschine (1) mit dem biegeelastischen Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) drehbeweglich gelagert ist.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das biegeelastische Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) ein an wenigstens einer Stelle (101) eingeschnürter Kraftübertragungsblock (100, 200) ist, der in einer Einschnürrichtung (103) durch eine Bildung eines Stegs (105) verjüngt ist und über den in einer zur Einschnürrichtung (103) querverlaufenden Kraftübertragungsrichtung eine Prüfkraft (F_P) auf die Prüfprobe (65) zu übertragen ist.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftübertragungsblock (100, 200) seine längste Erstreckung (111) in Kraftübertragungsrichtung (63) hat.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (25) mit zwei unterschiedlichen Hebelarmlängen (41, 43) schwenkbeweglich um einen Drehpunkt (45) gelagert ist, dessen Drehpunkt (45) in dem Steg (105) des Kraftübertragungsblocks (100, 200) angesiedelt ist.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass, weitere biegeelastische Lagergelenke (69, 71, 73, 75, 77) seitlich des Stegs (105) des Kraftübertragungsblocks (100, 200) mit ihren Drehpunkten (45) in einer Ebene (57) aufgereiht an dem Hebelarm (25) vorhanden sind, über die Kräfte (F_P, F_G, F_E) ein- oder ausgeleitet werden.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (25) entgegen der Schwerkraft (F_G) an einer Traverse (13) in seinem Drehpunkt (45) aufgehangen ist, wobei Mittel (23) zur Einleitung und Ausleitung von Kräften (F_P, F_G, F_E), wie Einleitungskraft (F_E) und Prüfkraft (F_P), in den und aus dem Hebelarm (25) auf einer Schwerkraftseite (53) des Hebelarms (25) vorhanden sind.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das biegeelastische Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) ein an wenigstens einer Stelle (101) zu einem Steg (105) eingeschnürter Kraftübertragungsblock (100, 200) ist, wobei der Steg (105) durch aufeinander zulaufende Kreisbögen (115, 117) gebildet wird, wobei die Kreisbögen (115, 117) als Schnitte (119, 121) in den Kraftübertragungsblock (100, 200) eingebracht sind und hierbei blockartige Außenabmessungen (107) des Kraftübertragungsblocks (100, 200) erhalten bleiben, sodass parallel zu dem Steg (105) über einen Spaltabstand (127, 129) entfernt Material des Kraftübertragungsblocks (100, 200) eine Verbiegungsgrenze für das elastischen Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) bilden.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander zulaufende Kreisbögen (115, 117) in den Kraftübertragungsblock (100, 200) einerodiert sind.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelarmprüfmaschine (1) zwei Achsen (59, 61), eine horizontal in dem Hebelarm (25) verlaufende Achse (59) und eine axiale, durch die Prüfprobe (65) verlaufende Achse (61), aufweist, entlang denen biegeelastische Gelenke (69, 71, 73, 75, 77) platziert sind, sodass horizontale und axiale Auslenkungen durch ein Zusammenwirken der biegeelastischen Lagergelenke (69, 71, 73, 75, 77) kompensierbar sind, während eine Hebelübersetzung der Prüfkraft (F_P) mit Hilfe des Hebelarms (25) erhalten bleibt.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein biegeelastisches Lagergelenk (69, 71, 73, 75, 77) ein Kraftübertragungselement (100) ist, in dem eine Längsrichtung (63, 111) über eine Verjüngungsstelle (101) geführt ist, deren Knickbewegung durch wenigstens einen, seitlich der Verjüngungsstelle (101) vorhandenen, an einer Seite mit dem Kraftübertragungselement (100) verbundenen Anschlagsbogen (131, 133) gebremst wird.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagsbogen (131, 133) eine ähnliche Krümmung hat wie eine Einschnittbildung (125) auf die Verjüngungsstelle (101) zu und wobei der Anschlagsbogen (131, 133) materialgleich einstückig Teil des Kraftübertragungselements (100) ist.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines Prüfraums (3), der zur Aufnahme der Prüfprobe (65) bestimmt ist, ein kugelartiges Gelenk (79) zwischen Hebelarm (25) und Prüfraum (3) angesiedelt ist.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der biegeelastischen Gelenke (69, 71, 73, 75, 77) parallel in umgedrehten Orientierungen innerhalb des Hebelarms (25) angeordnet sind, deren Drehpunkte (45) an einer dünnsten Stelle (101) in den biegeelastischen Gelenken (69, 71, 73, 75, 77) liegen.
Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einleitungskraft (F_E) über ein Zugmittel (23), wie eine Kette oder eine Stange, parallel zu einer Prüfrichtung in den Hebelarm (25) eingebracht wird, die durch ein Übersetzungsverhältnis, das sich aus zwei Hebelarmlängen (41, 43), die jeweils an einer Seite (47, 49) des Drehpunkts (45) angesiedelt sind, bildet, als die Prüfkraft (F_P) übertragen wird.
Prüfverfahren einer Prüfprobe (65), bei der eine Einleitungskraft (F_E) über einen Hebelarm (25) in eine Prüfkraft (F_P) durch eine Hebelarmprüfmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkraft (F_P) befreit von Querkraftkomponenten durch biegeelastische Umlenkungen (69, 73) oder Einleitungen (73) in Schwerkraftrichtung axial ausgerichtet in die Prüfprobe (65) eingeleitet wird.