DE19816639C2 - Spannkopf zum Einspannen von Proben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannkopf zum Einspannen von Pro­ ben, insbesondere für eine Werkstoffprüfmaschine, mit wenig­ stens einer Kolben-/Zylindereinheit und einem Grundkörper.

Spannköpfe für Werkstoffprüfmaschinen sind seit langem be­ kannt. So wird in der DE-OS 23 49 686 ein Spannkopf beschrie­ ben, der mit einem Zentrierkolben versehen ist, der in Rich­ tung der Lastaufgabe bei der Probenuntersuchung wirkt. Eine derartige Bauform mit oder ohne Zentrierkolben hat sich be­ währt. Doch ergeben sich bei der Anwendung derartiger Spann­ köpfe Grenzen. Zur Probenuntersuchung hochfester Materialien sind teilweise Prüfkräfte bis 2000 kN notwendig, wobei dann die Spannkräfte quer zur Prüfrichtung etwa auf den doppelten Wert, also 4000 kN, ansteigen. Um derartige Spannkräfte zu erreichen, sind entweder besonders große Kolbenflächen erfor­ derlich, oder es müssen sehr hohe Hydraulikdrücke angewandt werden.

Ein besonderes Problem liegt darin, eine Werkstoffprüfung bei Proben durchzuführen, von denen nur kurze Stücke zur Verfügung stehen. Hier stellt sich die Anforderung, einen Spannkopf so zu gestalten und einzusetzen, daß die Probe nicht im Zentrum der Kolbenfläche eingespannt wird, sondern in deren Randbe­ reich.

Dazu ist in der DE-OS 20 28 030 vorgeschlagen worden, die Probe nicht im Zentrum der Kolbenfläche einzuspannen, sondern in einem Abstand zur Mittelachse der Kolbenfläche. Hierzu be­ darf es allerdings einer äußerst exakten Fertigung von vier verschiedenen Zylinderabschnitten, in denen verschwenkbare Hilfsbacken genau ausgerichtet werden müssen. Weiter ist zur Einspannung einer Probe die manuelle Ausrichtung eines Hilfs­ backenpaares, orientiert an der Probenstärke, erforderlich.

Um die umständliche Einspannung, die nur manuell möglich ist, zu vermeiden, ist in der DE-PS 33 10 666 C2 vorgeschlagen wor­ den, den Spannmittelkopf exzentrisch zu dem Kolben anzubrin­ gen. Dabei liegt die Mittelachse der Spannbacken, die unmit­ telbar an dem Spannmittelkopf des Kolbens der Kolben-Zylinder­ einheit angebracht sind, tiefer als die Mittelachse des die Spannkraft erzeugenden Kolbens, so daß das Einspannen kurzer Proben möglich ist.

Nachteilig bei dieser Gestaltung ist jedoch, daß aufgrund der Exzentrität die Krafteinleitung der aus der Einspannung der Probe resultierenden Gegenkraft in die Spannbacke und über den Spannmittelkopf in den Kolben nicht zentral erfolgt. Damit ist eine erhöhte Belastung der Kolben-/Zylindereinheit, der ent­ sprechenden Dichtungen, Führungshülsen und dergleichen verbun­ den. Insbesondere im Bereich der Führungshülsen müssen beson­ dere Werkstoffqualitäten eingesetzt werden und dergleichen.

Die DE-OS 21 56 776 schlägt eine Vorrichtung zum zentrischen und prüfgerechten Einspannen von Zug- und Druckproben in die Spannköpfe von Werkstoffprüfmaschinen mit in den Spannköpfen gegenüberliegend angeordneten hydraulisch beaufschlagten Spannkolben vor, bei denen die von außen erfolgende Beauf­ schlagung eines der als Stufenkolben ausgebildeten Spannkolben die gegenläufige Bewegung des anderen Spannkolbens durch ein geschlossenes hydraulisches System von der Bewegung des außen­ beaufschlagten Spannkolbens ableitet. Auch mit einer derarti­ gen Gestaltung wird das Problem des Einspannens extrem kurzer Prüfstücke nicht gelöst. Gleiches gilt für die DE 33 10 666 C2, wonach vorgesehen ist, daß an jeder Kolben-Zylinder-Ein­ heit der Spannmittelkopf exzentrisch zu ihrem Kolben an­ gebracht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mit der bei zentraler Krafteinleitung gleichwohl die Einspannung ex­ trem kurzer Proben auch bei extrem hohen Prüflasten ohne wei­ teres möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Anschlag und die Einbuchtung auf der dem Grundkörper der Werk­ stoffprüfmaschine gegenüberliegenden Seite eine Abflachung aufweisen.

Bei einem derartigen Spannkopf einer Prüfmaschine liegt die Unterkante der Spannbacke tiefer als bei jedem anderen, bisher bekannten Spannkopf. Dabei liegt die Mittelachse jeder Spann­ backe, die weiterhin an dem Spannkopf angeordnet ist, in der Mittelachse des die Spannkraft erzeugenden Kolbens, so daß die Krafteinleitung der aus der Einspannung der Probe resultieren­ den Gegenkraft in die Spannbacke und über den Spannkopf in den Kolben zentral erfolgt. Hierdurch entsteht eine geringere Flä­ chenpressung auf die Kolbenstangen, es können hierdurch ebenso einfachere Lagerbuchsen mit entsprechendem Kostenvorteil ein­ gesetzt werden, wie Führungsbuchsen entbehrlich werden.

Gleichzeitig verhindert der erfindungsgemäße Anschlag ein un­ beabsichtigtes Herausdrücken des Kolbens mit dem darin ange­ ordneten Spannkopf aus dem Zylinder. Der Anschlag überragt die Außenkontur des Kolbens wenigstens bereichsweise und greift in eine in der Innenkontur des Zylinders ausgesparte Einbuchtung, die zu dem Anschlag korrespondiert, in der Weise ein, daß die­ ser Anschlag in der Einbuchtung in Längsrichtung begrenzt ver­ schiebbar ist. Dabei ist die in der Innenkontur des Zylinders ausgesparte Einbuchtung zweckmäßig so dimensioniert, daß bei maximal ausgefahrenem Zustand des Kolbens, bei dem die Ober­ fläche der an dem Spannkopf angeordneten Spannbacken im Zen­ trum des Grundkörpers der Werkstoffprüfmaschine liegen, der Anschlag an das Ende der in der Innenkontur des Zylinders aus­ gesparten Einbuchtung anschlägt. Dadurch, daß der Anschlag die Außenkontur des Kolbens nur bereichsweise überragt, und daß dementsprechend in der Innenkontur des Zylinders nur bereichs­ weise eine Einbuchtung ausgespart werden muß, wird erreicht, daß die Wandstärke des Zylinders in dem Bereich, in dem keine Einbuchtung ausgespart ist, möglichst gering gehalten werden kann mit der Folge, daß in diesem vom Grundkörper der Werk­ stoffprüfmaschine entferntesten Bereich, die Unterkante der Spannbacke extrem tief liegt, so daß auch äußerst kurze Proben eingespannt werden können. Erreicht wird dies vor allem da­ durch, daß der Anschlag und die Einbuchtung auf der dem Grund­ körper der Werkstoffprüfmaschine gegenüberliegenden Seite eine Abflachung aufweisen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Vergleich zu einem exzentrisch angeordneten Spannkopf wesentlich größere Spann­ backen eingesetzt werden können, diese können bei entsprechen­ der Abnutzung um 180° gedreht werden, hierdurch vermindert sich der Spannbackenverschleiß um die Hälfte, insbesondere bei einem Einspannen von kürzeren Proben.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Anschlag kann einstückig mit dem Kolben hergestellt sein, er kann jedoch in vorteilhafter Ausgestaltung auch lösbar an dem Kolben befestigt sein, was die Herstellung und Montage des Kolbens vereinfacht. So kann beispielsweise in dem Kolben zunächst eine Nut ausgefräst wer­ den, in die der Anschlag eingesetzt wird, beispielsweise als Federstück.

Vorteilhaft ist es auch, wenn der Anschlag und die korrespon­ dierende Einbuchtung teilringförmig ausgebildet sind. Hier­ durch wird die Gefahr eines Verkantens des Kolbens in dem Zy­ linder minimiert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge der Einbuchtung kleiner als der Abstand zwischen dem inneren Kolbenende und dem Anschlag ist. Bei einer derartigen Dimensionierung kann die notwendige Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder allein im rückwärtigen Bereich des Kolbens erfolgen, die Hydraulikme­ dien wie Öl oder Luft gelangen dabei nicht über das Innere Kolbenende hinaus und insbesondere nicht in den Bereich des Anschlags und der hierzu korrespondierenden Zylinderausspa­ rung. In diesem Bereich wäre eine Abdichtung sehr umständlich und wenig praktikabel.

Zur Rückführung des Kolbens in die Ausgangslage, das heißt vor dem Einspannen von Proben, ist ein auf den Anschlag einwirken­ des Rückstellmittel, insbesondere ein Rückstellkolben oder eine Rückstellfeder, vorgesehen. Sobald der Hydraulikdruck weggenommen wird, bewegt das Rückstellmittel, das entweder in dem Zylinder oder in dem Grundkörper der Werkstoffprüfmaschine angeordnet sein kann, den Kolben in seine Ausgangslage zurück.

Vorteilhaft sieht die Erfindung auch vor, daß bei einem Spann­ kopf mit zwei gegenläufigen Kolben-/Zylindereinheiten zwischen den beiden Anschlägen beider Kolben-/Zylindereinheiten Syn­ chronisationsmittel zum synchronen Betrieb beider Kolben-/Zy­ lindereinheiten befestigbar sind. Hierdurch wird erreicht, daß die jeweils zu untersuchende Probe stets genau im Zentrum der Werkstoffprüfmaschine eingespannt wird.

Vorteilhaft ist vorgesehen, daß die Abflachungen sehnen- bzw. sekantenförmig ausgebildet sind.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispiels­ weise näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Spannkopf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei gegenläufig hydraulisch betätigten Kolben-/Zylinder­ einheiten,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Spannkopf mit nur einer hydraulisch betätigten Kolben-/Zylindereinheit und einem mechanisch verstellbaren Gegenlager,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines mit einem Anschlag versehenen Kolbens und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Kolben mit einem einseitig abgeflachten Anschlag.

Ein allgemein mit 1 bezeichneter Spannkopf für eine nicht nä­ her dargestellte Werkstoffprüfmaschine mit einem Grundkörper 2 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 1 zwei gegen­ läufige Kolben-/Zylindereinheiten 3, 3' auf. In dem jeweiligen Zylinder 4, 4' ist ein Kolben 5, 5' verschiebbar gelagert. Der Kolben 5, 5' weist einen einstückig mit diesem ausgebildeten Spannkopfzapfen 6, 6' auf, der zentrisch zur Mittelachse 7 des Kolbens 4, 4' angeordnet ist. Auf dem Spannkopfzapfen 6, 6' ist jeweils eine Spannbacke 8, 8' angeordnet, wobei beispielsweise eine Kugelrastung 9, 9' für einen sicheren Halt sorgt.

Der Kolben 5, 5' ist an seinem hinteren Ende mit umlaufenden Dichtungen 10, 10' ausgerüstet. Im mittleren Bereich des Kolbens 5, 5' befindet sich ein Anschlag 11, 11', der die Außen­ kontur des Kolbens 5, 5' bereichsweise überragt und in eine Einbuchtung 12, 12' des Zylinders 4, 4' eingreift. Bei einer Druckbeaufschlagung des Kolbens 5, 5' wandert der Kolben 5, 5' zur offenen Seite 13, 13' des Zylinders 4, 4' aus. Dabei wird der Anschlag 11, 11' innerhalb der Einbuchtung 12, 12' in Längs­ richtung verschoben, bis der Anschlag 11, 11' an dem jeweiligen Gegenanschlag 14, 14', durch den die Einbuchtung 12, 12' im Zy­ linder 4, 4' begrenzt wird, anschlägt. In dieser Stellung ist der Kolben 5, 5' maximal weit ausgefahren, d. h. die sich gegen­ überliegenden Spannbacken 8, 8' stoßen in der Mittelachse 15 des Grundkörpers 2 gegeneinander und können an ihrer Unterkan­ te besonders kurze Probenstücke einklemmen.

Sobald der jeweilige Kolben 3, 3' nicht mehr mit Druck beauf­ schlagt wird, wird ein Rückstellkolben 16, 16' wirksam, der über den Anschlag 11, 11' auf den jeweiligen Kolben 5, 5' ein­ wirkt und diesen in seine Ausgangslage zurückbewegt. Dabei kann die Rückstellkraft dieses Rückstellkolbens 16, 16' oder eines anderen Rückstellmittels, etwa einer Rückstellfeder, relativ gering ausgelegt sein, da nur ein Reibungswiderstand, insbesondere der Dichtungen 10, 10', überwunden werden muß.

Das Rückstellmittel, insbesondere der Rückstellkolben 16, 16', kann, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, in dem Zylinder 4, 4' angeordnet sein, die Anordnung kann aber beispielsweise auch so gewählt werden, daß das jeweilige Rückstellmittel im Grundkörper 2 der Werkstoffprüfmaschine vorgesehen ist, was nicht im einzelnen dargestellt ist.

Anstelle der zweiten Kolben-/Zylindereinheit 3' kann auch ein Gegenlager 17 vorgesehen sein, das in der Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Fall weist die Werkstoffprüfmaschine nur eine hydraulisch betätigte Kolben-/Zylindereinheit 3 auf. Das Ge­ genlager 17 kann dann etwa über einen Gewindeantrieb 18 der­ art eingestellt werden, daß es in Abhängigkeit von der Materi­ aldicke des zu prüfenden, nicht näher dargestellten Werkstoffs in Richtung der Mittelachse 15 des Grundkörpers 2 voreinge­ stellt wird.

Der Anschlag 11, 11' kann dadurch, daß er die Außenkontur des Kolbens 5 nur bereichsweise überragt, und entsprechend in die hierzu korrespondierende Einbuchtung 12, 12' des Zylinders 4, 4' eingreift, gleichzeitig eine Verdrehsicherung übernehmen. Fig. 4 zeigt eine teilringförmige Ausgestaltung des Anschlages 11, d. h. der Anschlag 11, 11' des Kolbens 5 ist bei dem hier dar­ gestellten Ausführungsbeispiel an der Unterkante 19 einseitig sehnen- bzw. sekantenförmig abgeflacht. Die Ausgestaltung der Zylinderinnenfläche erfolgt dementsprechend, ohne daß dies im einzelnen dargestellt wäre. An dem Anschlag 11 sind zum syn­ chronen Betrieb zweier gegenläufiger Kolben-/Zylindereinheiten nicht näher dargestellte Synchronisationsmittel befestigtbar.

Claims (7)

1. Spannkopf zum Einspannen von Proben, für eine Werkstoffprüf­ maschine, mit wenigstens einer Kolben-/Zylindereinheit, und einem Grundkörper, wobei der Kolben in seinem mittleren Be­ reich wenigstens einen, seine Außenkontur überragenden An­ schlag aufweist, den eine hierzu korrespondierende, in der Innenkontur des Zylinders ausgesparte Einbuchtung in Längs­ richtung begrenzt verschiebbar eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (11, 11') und die Einbuchtung (12, 12') auf der dem Grundkörper (2) der Werkstoffprüfmaschine gegenüber­ liegenden Seite eine Abflachung (19) aufweisen.

2. Spannkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (11, 11') lösbar an dem Kolben (5, 5') befe­ stigt ist.

3. Spannkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (11, 11') und die korrespondierende Einbuch­ tung (12, 12') teilringförmig ausgebildet sind.

4. Spannkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Einbuchtung (12, 12') kleiner als der Abstand zwischen dem inneren Kolbenende (5a, 5a') und dem Anschlag (11, 11') ist.

5. Spannkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Kolben (5, 5') einwirkendes, an dem Anschlag (11, 11') angreifendes Rückstellmittel, insbesondere ein Rück­ stellkolben (16, 16') oder eine Rückstellfeder, vorgesehen ist.

6. Spannkopf mit zwei gegenläufigen Kolben-/Zylindereinheiten nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Anschlägen (11, 11') beider Kolben-/Zy­ lindereinheiten (3, 3') Synchronisationsmittel zum synchronen Betrieb beider Kolben-/Zylindereinheiten (3, 3') befestigbar sind.

7. Spannkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachungen (19) sehnen- bzw. sekantenförmig ausge­ bildet sind.