DE1259119B - Vorrichtung zum Messen der elastischen Verformung innerhalb der Hertz'schen Flaeche - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Messen der elastischen Verformung innerhalb der Hertz'schen Fläche Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der elastischen Verformung innerhalb der Hertz'schen Fläche zweier mittels eines Belastungsorgans aneinandergedrückter Körper.
• Wird ein Körper, beispielsweise ein gehärteter, kreiszylindrisch geformter Stahlkörper auf eine Begrenzungsfläche eines beispielsweise ebenfalls gehärteten Gegenkörpers gelegt und mit einer Kraft senkrecht zu dieser Begrenzungsfläche belastet, so treten infolge der elastischen Eigenschaften an beiden Körpern Verformungen auf, die besonders im Bereich der ursprünglichen Berührungslinie relativ groß sind.
• Während der Verformung kommt es zur Ausbildung einer beiden Körpern gemeinsamen Berührungsfläche, nämlich einer sogenannten Hertz'schen Fläche. Die von Hertz dafür aufgestellten Formeln gelten unter der Annahme, daß die Abmessungen der Druckfläche sehr klein im Vergleich zu den Abmessungen der beiden Körper sind, daß weiter die Elastizitätsgrenze nicht überschritten wird und daß schließlich in den Druckflächen nur Druckspannungen und keine Schubspannungen auftreten.
• Um die Jahrhundertwende traten zum erstenmal auf Grund voji Härtemessungen mit Zylindern und Kugeln Zweifel an der Richtigkeit der Hertz'schen Formeln auf. Es hat seither nicht an Versuchen gefehlt, durch theoretische Überlegungen zu Korrekturen der Formeln zu gelangen. Man hat aber nur selten versucht, auf experimentellem Wege Unterlagen über Form und Abmessungen Hertz'scher Druckflächen zu erhalten. Lediglich die Annäherung zweier gegeneinandergedrückter Körper unter Last wurde näher untersucht. Hierdurch lassen sich aber keine Informationen über die Druckflächen selbst gewinnen. Eine genaue Kenntnis von Form und Abmessungen der Druckflächen vermittelt aber wertvolle Erkenntnisse über den Spannungszustand in den Randzonen der gegeneinander gedrückten Körper sowie über die Materialeigenschaften. Da die Hertz'schen Flächen nur im elastischen Bereich definiert sind, sie also nur während der Berührung zweier aneinandergedrückter Körper existieren, können sie auch nur während dieses Zustandes gemessen werden.
• Es ist bereits eine Vorrichtung zur Materialprüfung, insbesondere eine Vorrichtung zur Härteprüfung bekannt, bei der zwei sphärische Körper gegeneinander gepreßt werden, worauf mit Hilfe eines Spiegels und eines Mikroskops der Durchmesser der den beiden Körpern gemeinsamen Berührungsfläche gemessen wird. Außerdem sind die beiden Körper als variables Widerstandsglied an eine Meßbrücke gelegt, so daß gleichzeitig deren Leitfähigkeit bestimmt werden kann. Dementsprechend handelt es sich bei dieser bekannten Vorrichtung um ein Gerät zur Messung des Durchmessers einer Fläche, aber nicht um die Messung der elastischen Verformung innerhalb der Berührungsfläche.
• Auch ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der Umfang der Berührungsfläche zweier aneinandergedrückter Kugeln mit Hilfe einer aufgetragenen Substanz, z. B. Schwefelsilber, nach Art des bekannten Tuschierverfahrens bestimmt wird. Nach einer weiteren Meßmethode wird die Größe der Kontaktfläche zwischen einer Kugel und einer ebenen Quarzfläche an Hand der von letzterer erzeugten Interferenzringe in einem Mikroskop sichtbar gemacht.
• Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Umfanges einer Berührungsfläche zwischen zwei Kugeln besteht in der Anwendung von Röntgenstrahlen, welche die beiden zusammengepreßten Körper in der Ebene ihrer gemeinsamen Berührungsflächen durchdringen und auf einem lichtempfindlichen Film entsprechende Schatten erzeugen. Auch dabei handelt es sich nur um das Messen der Ausdehnung einer Berührungsfläche zwischen zwei Körpern. Die elastische Verformung der Berührungsfläche eines der beiden Prüfkörper unter Belastung in Druckrichtung kann mit dieser Vorrichtung nicht gemessen werden.
• Darüber hinaus sind Anordnungen bekannt, bei denen durch mechanische bzw. elektrische Einrichtungen der Flächeninhalt von ebenen ungleichmäßigen Körpern ermittelt wird, welche auf einen Meßtisch gelegt sind. Bei diesen Vorrichtungen handelt es sich um reine Flächenmessungen, wobei die auszumessenden Lederstücke selbstverständlich nicht unter Druckspannung stehen.
• Die Erfindung hat zur Aufgabe, die Bestimmung der elastischen Verformung eines Körpers innerhalb einer Hertz'schen Fläche zu ermöglichen.
• Erreicht wird dies mit einer Vorrichtung, bei welcher zwei Körper mittels eines Belastungsorgans aneinander gedrückt werden, dadurch, daß mindestens der eine Körper an der Berührungsstelle mit dem Gegenkörper mit offenen Bohrungen versehen ist, in denen Meßstifte verschiebbar angeordnet sind, deren durch die elastische Verformung bewirkten Verschiebungen über schwenkbar gelagerte Hebel auf Düsen bekannter pneumatischer Meßkreise übertragen werden. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die elastische Verformung eines Körpers innerhalb einer durch einen gedrückten Gegenkörper gebildeten Hertzschen Fläche ausgemessen. Es ist dabei von wesentlicher Bedeutung, daß die Messung in Richtung des durch den Gegenkörper aufgebrachten Druckes punktweise erfolgt und die Oberfläche des Körpers im unbelasteten Zustand als Bezugsfläche dient. Die Meßstifte wirken über Hebel auf Düsen pneumatischer Meßkreise ein.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn erfindungsgemäß als Anzeigegeräte Flüssigkeitsmanometer verwendet werden. Ferner kann einer der beiden Körper senkrecht zur Andrückrichtung und relativ zum anderen meßbar verschiebbar sein. Schließlich können die besagten Hebel vorteilhafterweise mittels Blattfedern gelagert sein.
• Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in welcher ein Ausführungsbeispiel schematisch in zwei aufeinander senkrecht stehenden vertikalen Schnittflächen gezeigt ist. Bei dem in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um den Belastungsfall einer Zylinderrolle gegen eine Ebene.
• Für zahlreiche andere Berührungsfälle können ohne Schwierigkeiten entsprechende Vorrichtungen entworfen werden.
• Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist auf einer Grundplatte 1 eine Prüfplatte 2 befestigt, die an ihrer Oberseite 3 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sieben zur Oberfläche senkrecht verlaufende, sehr feine Bohrungen 4 bis 10 aufweist. In F i g. 1 ist nur die Bohrung 7 dargestellt. Jede Bohrung mündet in je einen in die Unterseite 11 der Prüfplatte 2 eingearbeiteten Schlitz 12. In jeder der feinen Bohrungen 4 bis 10 ist ein beweglicher Meßstift 13 angeordnet, der auf einen im Schlitz 12 mittels Blattfeder 15 drehbar gelagerten Meßhebel 14 einwirkt. Das vordere Ende 16 jedes Meßhebels 14 steuert den wirksamen Querschnitt einer in der Prüfplatte 2 befestigten Meßdüse 17, so daß in einem pneumatischen System 18 in bekannter Weise Druckunterschiede entstehen, die von einem Manometer 19 angezeigt werden. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurde nur ein Meßhebel 14 dargestellt. Es ist zweckmäßig, als Manometer Flüssigkeitsmanometer zu verwenden, da durch deren senkrecht, gerade Skalen eine besonders anschauliche Anzeige vermittelt wird. Auf der Ob erseite 3 der Prüfplatte 2 liegt der Prüfkörper 20, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zylinder- rolle, dessen Lage durch meßbar einstellbare Anschläge 21 und 22 fixiert ist. Im Normalfall liegt der Prüfkörper so, daß seine Mantellinie23 genau mit der Verbindungslinie der feinen Bohrungen 4 bis 10 zusammenfällt und alle Meßstifte den Prüfkörper 20 berühren. Die ganze Vorrichtung steht unter einer mit verstellbaren Belastungen arbeitenden Presse, deren Belastungszylinder bei 24 und deren Auflagetisch bei 25 schematisch dargestellt ist.
• Zur Durchführung der Messung wird auf der Oberseite 3 der Prüfplatte 2 ein Endmaß angesprengt, und alle Manometer werden durch Verschiebung der Meßdüsen auf Null gestellt. Dann wird an Stelle des Endmaßes der Prüfkörper 20 aufgelegt und die gewünschte Last zur Wirkung gebracht. Der Prüfkörper 20 drückt sich unter elastischer Verformung in die Oberseite 3 der Prüfplatte 2 ein, die Meßstifte 13 werden nach unten verschoben, und der Betrag der Verschiebung wird an den Manometern 19 angezeigt.
• Bei Verwendung von Flüssigkeitsmanometern erhält man in anschaulicher Weise einen Profilschnitt durch die Hertz'sche Fläche. Die Verschiebung des Prüfkörpers 20 durch den meßbar verstellbaren Anschlag 21 ermöglicht die Aufnahme weiterer zueinander paralleler Profilschnitte. Durch Verschieben des Prüfkörpers 20 in axialer Richtung können auch die Auswirkungen außermittiger Lastangriffe auf Abmessung und Form der Hertz'schen Fläche untersucht werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Messen der elastischen Verformung innerhalb der Hertz'schen Fläche zweier mittels eines Belastungsorgans aneinandergedrückter Körper, dadurch gekennz e i c h n e t, daß mindestens der eine Körper (2) an der Berührungsstelle mit dem Gegenkörper (20) mit offenen Bohrungen (4 bis 10) versehen ist, in denen Meßstifte (13) verschiebbar angeordnet sind, deren durch die elastische Verformung bewirkten Verschiebungen über schwenkbar gelagerte Hebel (14) auf Düsen (1) bekannter pneumatischer Meßkreise übertragen werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anzeigegeräte Flüssigkeitsmanometer verwendet werden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Körper (2, 20) senkrecht zur Andrückrichtung und relativ zum anderen meßbar verschiebbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebel (14) mittels Blattfedern (15) gelagert sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 175 898, 190 821; britische Patentschrift Nr. 276 776; USA.-Patentschriften Nr. 1 781 002, 1 985 576.