DE19953469A1 - Measuring device for determining tangential adhesive force between touching surfaces of two test pieces, has mass suspended from upper test piece - Google Patents

Measuring device for determining tangential adhesive force between touching surfaces of two test pieces, has mass suspended from upper test piece

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02—Measuring coefficient of friction between materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G1/00—Weighing apparatus involving the use of a counterweight or other counterbalancing mass
    • G01G1/18—Balances involving the use of a pivoted beam, i.e. beam balances
    • G01G1/26—Balances involving the use of a pivoted beam, i.e. beam balances with associated counterweight or set of counterweights

Abstract

The device applies a tangential force parallel to the sliding surfaces of the test pieces, and the force can be varied independently of a perpendicular force which is applied to press the two sliding surfaces together. The perpendicular force is applied using at least one mass body (12) of mass m, which is connected via coupling member (11) so that it is suspended from the upper test piece (14). The center of gravity of the system consisting of the mass body and the coupling member lies at a predetermined distance above the suspension of the coupling member.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft zwischen Probekörperflächen. Die Anordnung ist insbesondere geeignet, um für gleitend gelagerte Baugruppen die Kraft zu messen, die für deren In-Bewegung-Setzen notwendig ist.The invention relates to an arrangement for measuring the tangential adhesive force between Specimen surfaces. The arrangement is particularly suitable for sliding bearings Measure the force of assemblies that is necessary to set them in motion.

Für die Haftkraft-Messung von geklebten oder anderen stoffschlüssigen Verbindungen sind Zugversuche geeignet. Prinzipiell können Zug- oder Druckprüfmaschinen auch zur Messung der ausschließlich durch Haftreibung bedingten tangentialen Haftkraft zwischen Probekörperflächen genutzt werden. Für Untersuchungen an Originalteilen sind derartige Prüfmaschinen jedoch nicht oder nur mit Einschränkungen geeignet.For measuring the adhesive force of glued or other material connections Suitable for tensile tests. In principle, tensile or compression testing machines can also be used to measure the tangential adhesive force between specimen surfaces caused solely by static friction be used. However, such testing machines are not suitable for tests on original parts or only suitable with restrictions.

Im einfachsten Fall kann die durch Haftreibung bedingte Haftkraft zwischen Probekörperflächen bestimmt werden, indem eine tangentiale Zugkraft mittels eines mit Gewichten belasteten Seiles aufgebracht wird. Diese Zugkraft ist jedoch meist nur stufenweise veränderbar.In the simplest case, the adhesive force between specimen surfaces caused by static friction can be be determined by a tangential tensile force using a rope loaded with weights is applied. However, this tractive force can usually only be changed gradually.

Die Kraftaufbringung kann auch mittels eines hydraulischen Antriebs oder einer Gewindespindel erfolgen, wobei die Reaktionskraft am unbewegten Teil gemessen werden kann. Nachteilig ist hierbei, daß in der Belastungsvorrichtung oder in der Abstützung zusätzliche Gegenkräfte unkontrolliert entstehen können und damit das Meßergebnis entscheidend beeinflussen. Bewegte Unterlagen und elastisch abgestützte Oberproben haben zudem den Nachteil, daß dieses bewußt erzeugte Schwingungssystem stick-slip-Erscheinungen gut registriert, aber die Methode wegen der erforderlichen Massenbeschleunigung zur Ermittlung der Haftkraft nur bedingt exakte Ergebnisse und nur für kleine Massen ergibt.The force can also be applied by means of a hydraulic drive or a threaded spindle take place, the reaction force can be measured on the stationary part. The disadvantage is here that additional counterforces in the loading device or in the support can arise in an uncontrolled manner and thus decisively influence the measurement result. Moving documents and elastically supported top samples also have the disadvantage that this consciously generated vibration system stick-slip phenomena well registered, but the method due to the required mass acceleration to determine the adhesive force only partially accurate Results and results only for small masses.

Aus dem publizierten Stand der Technik ist z. B. eine Anordnung zum Messen der Haftreibung zwischen einem elastomeren Probekörper und einem verschiebbaren Gegenkörper bekannt (DE 27 12 262), die im wesentlichen aus einem Winkelhebel besteht, an dessen annähernd waagerecht ausgerichteten längeren Hebelarm Belastungsgewichte hängen, die den Probekörper mit einer definierten Normalkraft gegen den vertikal verschiebbaren Gegenkörper pressen. Probekörper und Gegenkörper bilden dabei die zu untersuchende Werkstoffpaarung. Bei dieser Anordnung sind erhebliche systematische Meßfehler zu erwarten, weil bei einer Belastung des Gegenkörpers mit einer Tangentialkraft das benutzte Hebelsystem erheblich beschleunigt wird und die Probe zum Verkanten neigt, wodurch sich die Kontaktfläche unkontrolliert verändert.From the published prior art z. B. an arrangement for measuring static friction known between an elastomeric test specimen and a displaceable counterpart (DE 27 12 262), which consists essentially of an angle lever, approximately at the horizontally aligned longer lever arm load weights hanging from the specimen press against the vertically displaceable counter body with a defined normal force. Test specimens and counterparts form the material pair to be examined. At this Arrangement significant systematic measurement errors are to be expected, because when the  Counter body with a tangential force, the lever system used is significantly accelerated and the sample tends to tilt, which causes the contact area to change uncontrollably.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, bei der möglichst geringe systematische Meßfehler auftreten. Hierzu ist die Anordnung so auszubilden, daß beim Einsetzen der Relativbewegung zwischen den Probekörpern die übrigen Bestandteile der Anordnung möglichst wenig bzw. erst mit zeitlicher Verzögerung beschleunigt werden.The invention is therefore based on the object of creating an arrangement in which, if possible minor systematic measurement errors occur. For this purpose, the arrangement must be designed so that when Insertion of the relative movement between the test specimens the remaining components of the Arrangement can be accelerated as little as possible or only after a time delay.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by an arrangement according to claim 1.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht demnach darin, zum Aufbringen der Normalkraft FN auf den oberen Probekörper die Gewichtskraft eines pendelnd am oberen Probekörper aufgehängten Massekörpers zu verwenden. Mittels dieser pendelnden Aufhängung wird die Beschleunigung, die der obere Probekörper unter dem Einfluß der Tangentialkraft unmittelbar nach dem Beginn der Relativbewegung zwischen den Probekörpern erfährt, zeitlich von der Beschleunigung entkoppelt, welche durch die Bewegung des oberen Probekörpers auf den Massekörper ausgeübt wird.The basic principle of the invention is therefore to use the weight of a mass body suspended from the upper test body to apply the normal force F N to the upper test body. By means of this oscillating suspension, the acceleration which the upper test specimen experiences under the influence of the tangential force immediately after the start of the relative movement between the test specimens is decoupled in time from the acceleration which is exerted on the mass specimen by the movement of the upper test specimen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht demnach in den relativ kleinen zu beschleunigenden Massen im Moment des Übergangs von der Ruhereibung (Haftkraft) zur Gleitreibung. Damit wird ein schlagartiges Losbrechen des oberen Probekörpers gewährleistet. Dieses bewirkt eine sehr gute Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses.The advantage of the solution according to the invention is therefore that it is relatively small accelerating masses at the moment of transition from static friction (adhesive force) to Sliding friction. This ensures a sudden breakaway of the upper test specimen. This results in a very good reproducibility of the measurement result.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber Anordnungen, die das Prinzip der "schiefen Ebene" benutzen, besteht darin, daß die Normalkraft unabhängig von der Tangentialkraft veränderbar ist.Another advantage of the invention over arrangements that skew the principle of " Plane "is that the normal force is independent of the tangential force is changeable.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich sowohl großflächige als auch kleinstflächige Untersuchungen des Haftkraftverhaltens von Originalteilen oder Modellen durchführen. Insbesondere lassen sich vergleichende Untersuchungen durch Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe für die Prüfkörper durchführen. Ebenso läßt der Einfluß von Zwischenstoffen auf die Haftkraft untersuchen, wobei diese Untersuchungen auch bei vorgegebenen Temperaturen durchführbar sind. With the arrangement according to the invention, both large and very small areas can be Conduct investigations of the adhesive force behavior of original parts or models. In particular, comparative studies can be carried out using different ones Perform materials for the test specimens. Likewise, the influence of intermediates on the Examine adhesive force, these examinations also at specified temperatures are feasible.  

Eine Messung des Übergangswiderstandes zwischen den Kontaktflächen gibt Aufschluß über auftretende Trennvorgänge bzw. sich einstellende Kontakte beim Durchbrechen des Zwischenstoffes.A measurement of the contact resistance between the contact surfaces provides information separating processes or contacts that occur when the Intermediate.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments of the arrangement according to the invention result itself from the subclaims.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird, die eine stark schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Seitenansicht zeigt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung elektrischer Hilfs- und Meßeinrichtungen verzichtet, was jedoch nicht ausschließt, diese Einrichtungen zwecks Automatisierung oder komfortabler Auswertung der Meßergebnisse einzusetzen.The invention is explained in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment, with reference to the accompanying drawing, which is a highly schematic Representation of the device according to the invention in a side view. Because of Better clarity was given to the representation of electrical auxiliary and measuring devices waives, but this does not exclude these facilities for automation or comfortable evaluation of the measurement results.

Die Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft FH zwischen zwei Probekörpern 13 und 14 enthält einen biegesteifen Rahmen 1, auf dem alle beweglichen und unbeweglichen Baugruppen angeordnet sind. Dieser Rahmen wird zur besseren Handhabung und Bedienung auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Gestell aufgebracht.The arrangement for measuring the tangential adhesive force F H between two test specimens 13 and 14 contains a rigid frame 1 on which all movable and immovable assemblies are arranged. For better handling and operation, this frame is applied to a frame not shown in the drawing.

Am Rahmen 1 ist ein einstellbares Festlager 8 angeordnet, das eine Horizontalbewegung des unteren Probekörpers 13 verhindert. Die Belastung des oberen Probekörpers 14 mit einer Normalkraft erfolgt mittels einer Gewichtskraft. Hierzu ist mindestens ein Massekörper 12 mit der Masse m mittels eines ein- oder mehrgliedrigen Koppelgliedes 11 pendelnd am oberen Probekörper 14 aufgehängt. Dabei sind Masse und Geometrie des Massekörpers 12 und des Koppelgliedes 11 so dimensioniert, daß der Abstand des Schwerpunktes des jeweils aus Massekörper 12 und Koppelglied 11 bestehenden Systems und seiner am oberen Probekörper 14 angeordneten Aufhängung 9 mindestens das 50fache, vorzugsweise das 200fache bis 400fache des maximalen Verschiebeweges beträgt, den der obere Probekörper 14 nach seinem Losbrechen zurücklegt.An adjustable fixed bearing 8 is arranged on the frame 1 , which prevents horizontal movement of the lower specimen 13 . The upper test body 14 is loaded with a normal force by means of a weight. For this purpose, at least one mass body 12 with the mass m is suspended from the upper test body 14 in an oscillating manner by means of a single or multi-element coupling element 11 . The mass and geometry of the mass body 12 and the coupling member 11 are dimensioned such that the distance between the center of gravity of the system consisting of mass body 12 and coupling member 11 and its suspension 9 arranged on the upper test body 14 is at least 50 times, preferably 200 to 400 times the maximum Displacement path that the upper test specimen 14 covers after it has broken loose.

Die Aufhängung des Koppelgliedes 11 am oberen Probekörper 14 ist zweckmäßigerweise als Stützlager 9 ausgebildet. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist das Stützlager 9 als Spitzenlager ausgebildet. Damit wird der Versuchspraxis Rechnung getragen, in der auch Fälle auftreten, in denen sich der obere Probekörper 14 unter dem Einfluß der Tangentialkraft in einer Richtung bewegt, die aus der Zeichenebene herausweist. Dies tritt z. B. bei örtlichen Inhomogenitäten der Haftkraft auf.The suspension of the coupling member 11 on the upper test body 14 is expediently designed as a support bearing 9 . In the embodiment shown in the drawing, the support bearing 9 is designed as a tip bearing. This takes account of experimental practice, in which cases also arise in which the upper test specimen 14 moves under the influence of the tangential force in a direction which points out of the plane of the drawing. This occurs e.g. B. at local inhomogeneities of the adhesive force.

Nach einer in der Zeichnung nicht dargestellten Variante ist das Koppelglied 11 am oberen Probekörper 13 kardanisch aufgehängt. Alternativ kann das Koppelglied 11 mindestens abschnittsweise aus einem biegeschlaffen Element wie einem Seil, einer Kette u. dgl. bestehen.According to a variant not shown in the drawing, the coupling member 11 is gimbaled on the upper specimen 13 . Alternatively, the coupling member 11 can be made at least in sections from a limp element such as a rope, a chain and the like. Like exist.

Die parallel zu den Probekörper-Gleitflächen gerichtete Tangentialkraft wird mittels einer Belastungseinrichtung erzeugt, die aus einem Winkelhebel 2 besteht, der auf einer Achse 3 gelagert und im Rahmen 1 abgestützt ist. Der Winkelhebel 2 wird mit einem Kompensationsgewicht 4 austariert und mittels einer Gewindespindel 10, die sich am oberen Probekörper 14 abstützt, justiert und ausnivelliert, bis unter einer geringen Vorlast die Kontrollzunge des Winkelhebels 2 mit einer gegenüberliegenden Marke zur Deckung gelangt.The tangential force directed parallel to the specimen sliding surfaces is generated by means of a loading device which consists of an angle lever 2 which is mounted on an axis 3 and is supported in the frame 1 . The angle lever 2 is balanced with a compensation weight 4 and adjusted and leveled by means of a threaded spindle 10 , which is supported on the upper test specimen 14 , until the control tongue of the angle lever 2 is covered with an opposite mark under a slight preload.

Zur Durchführung der Messung wird das auf dem Winkelhebel 2 geführte und abgestützte Laufgewicht 5 in Richtung der Spitze des Winkelhebels 2 bewegt. Dadurch wird die Tangentialkraft solange erhöht, bis sie größer als die Haftkraft FH ist und der obere Probekörper 14 zu gleiten beginnt. Die Stellung des Laufgewichts 5 zu diesem Zeitpunkt ist auf einer Skale 20 ablesbar. Die wirksame Tangentialkraft ergibt sich unmittelbar aus dieser Stellung, dem Gewicht des Laufgewichts 5 und dem Übersetzungsverhältnis des Winkelhebels 2. Es versteht sich von selbst, daß der in der Zeichnung dargestellte Antrieb des Laufgewichts 5 mittels Kurbel 6 und Zugseil durch andere Antriebe ersetzbar ist.For carrying out the measurement, the run on the angle lever 2 and supported barrel weight 5 is moved angle of the lever 2 in the direction of the tip. As a result, the tangential force is increased until it is greater than the adhesive force F H and the upper test specimen 14 begins to slide. The position of the barrel weight 5 at this time can be read on a scale 20 . The effective tangential force results directly from this position, the weight of the barrel weight 5 and the transmission ratio of the angle lever 2 . It goes without saying that the drive of the barrel weight 5 shown in the drawing can be replaced by other drives by means of a crank 6 and pulling rope.

Eine Temperierung der Probekörper und der eventuell eingesetzten Zwischenstoffe erlaubt zusätzlich, den Einfluß der Temperatur und der Normalkraft FN auf das Haftkraftverhalten FH des Tribosystems zu untersuchen.Temperature control of the test specimens and any intermediate materials used additionally allows the influence of temperature and normal force F N on the adhesive force behavior F H of the tribological system to be investigated.

Claims (7)

1. Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft zwischen sich berührenden Flächen zweier Probekörper (13; 14), mit Mitteln zum Aufbringen einer parallel zu den Probekörper-Gleitflächen gerichteten, unabhängig von der Normalkraft veränderbaren Tangentialkraft FH und Mitteln zur Aufbringen einer vorgebbaren Normalkraft FN, um die Gleitflächen der zwei Probekörper aneinander zu pressen, wobei die Mittel zum Aufbringen der Normalkraft aus mindestens einem Massekörper (12) mit der Masse m bestehen, der mittels eines ein- oder mehrgliedrigen Koppelgliedes (11) pendelnd am oberen Probekörper (14) aufgehängt ist, und der Schwerpunkt des jeweils aus Massekörper (12) und Koppelglied (11) bestehenden Systems in einem vorgebbaren Abstand unterhalb der Aufhängung des Koppelgliedes (11) liegt.1. Arrangement for measuring the tangential adhesive force between contacting surfaces of two test specimens ( 13 ; 14 ), with means for applying a tangential force F H directed parallel to the test specimen sliding surfaces, which can be changed independently of the normal force, and means for applying a predeterminable normal force F N in order to press the sliding surfaces of the two test specimens against one another, the means for applying the normal force consisting of at least one mass specimen ( 12 ) with mass m, which is suspended from the upper specimen ( 14 ) by means of a single or multi-element coupling element ( 11 ) and the center of gravity of the system consisting of mass body ( 12 ) and coupling element ( 11 ) is at a predeterminable distance below the suspension of the coupling element ( 11 ). 2. Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung des Koppelgliedes (11) am oberen Probekörper (14) als Stützlager (9) ausgebildet ist.2. Arrangement for measuring the tangential adhesive force according to claim 1, characterized in that the suspension of the coupling member ( 11 ) on the upper test body ( 14 ) is designed as a support bearing ( 9 ). 3. Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (9) als Spitzenlager ausgebildet ist.3. Arrangement for measuring the tangential adhesive force according to claim 2, characterized in that the support bearing ( 9 ) is designed as a tip bearing. 4. Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied (11) mindestens abschnittsweise aus einem biegeschlaffen Element wie Seil, Kette u. dgl. besteht.4. Arrangement for measuring the tangential adhesive force according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling member ( 11 ) at least in sections from a pliable element such as rope, chain and. The like. 5. Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied (11) mindestens aus zwei gelenkig verbundenen Gliedern besteht. 5. Arrangement for measuring the tangential adhesive force according to claim 1 to 3, characterized in that the coupling member ( 11 ) consists of at least two articulated members. 6. Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Schwerpunktes des jeweils aus Massekörper (12) und Koppelglied (11) bestehenden Systems und seiner am oberen Probekörper (14) angeordneten Aufhängung (9) mindestens das 50fache, vorzugsweise das 200fache bis 400fache des maximalen Verschiebeweges beträgt, den der obere Probekörper (14) nach seinem Losbrechen zurücklegt.6. Arrangement for measuring the tangential adhesive force according to one of the preceding claims, characterized in that the distance of the center of gravity of the system consisting of mass body ( 12 ) and coupling member ( 11 ) and its system on the upper test body ( 14 ) arranged suspension ( 9 ) at least is 50 times, preferably 200 times to 400 times the maximum displacement distance that the upper test specimen ( 14 ) covers after it has broken loose. 7. Anordnung zur Messung der tangentialen Haftkraft nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des jeweils aus Massekörper (12) und Koppelglied (11) bestehenden Systems und seiner am oberen Probekörper (14) angeordneten Aufhängung (9) so dimensioniert ist, daß die Schwingungsdauer des Systems größer, vorzugsweise mehr als 5mal größer, als die Zeitspanne ist, in welcher Messungen an dem oberen Probekörper (14) nach seinem Losbrechen erfolgen.7. Arrangement for measuring the tangential adhesive force according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance between the center of gravity of the respective mass body ( 12 ) and coupling member ( 11 ) system and its on the upper test body ( 14 ) arranged suspension ( 9 ) is dimensioned such that the period of oscillation of the system is greater, preferably more than 5 times greater, than the time span in which measurements are made on the upper test specimen ( 14 ) after it has broken loose.
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