DE202005018976U1

DE202005018976U1 - Dynamisch optimierter Hebelpulser

Info

Publication number: DE202005018976U1
Application number: DE200520018976
Authority: DE
Original assignee: F & E Ingenieurgmbh fur Energ; F and E Ingenieurgesellschaft Mbh fur Energieberatung und Festigkeitsanalyse
Current assignee: F & E Ingenieurgmbh fur Energ; F and E Ingenieurgesellschaft Mbh fur Energieberatung und Festigkeitsanalyse
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2015-12-06

Abstract

Vorrichtung (1) zur Beaufschlagung des Prüflings (2) mit einer sich zyklisch ändernden Prüfbelastung, wobei die Vorrichtung einen um eine Hebeldrehachse (7) beweglichen Belastungsebel (3) umfasst, der kraftschlüssig mit dem Prüfling (2) verbunden ist und eine auf den Belastungshebel (3) einwirkende Last (m) zur Erzeugung einer dem Prüfling (2) durch den Belastungshebel (3) vermittelten, sich zyklisch ändernden Prüfbelastung, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Hebelarm, unter dem die Last über den Belastungshebel (3) auf den Prüfling (2) einwirkt, bestimmendes Lager (7) derart ortsveränderlich ist, dass die zyklische Änderung der Prüfbelastung durch eine zyklische Ortsveränderung dieses Lagers (7) erzeugt werden kann;

Description

Die Erfindung betrifft einen dynamisch optimierten Hebelpulser, d. h. eine Vorrichtung zum dynamischen Belasten von Proben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um Aussagen zur Festigkeit bzw, zur Belastbarkeit von Bauteilen machen zu können, ist es üblich, entweder die Bauteile selbst oder Probestäbe aus dem gleichen Werkstoff wie die zu testenden Bauteile einer definierten dynamischen Belastung zu unterwerfen. Auf diese Art und Weise können Aussagen über die Zeit- und/oder Dauerfestigkeit der entsprechenden Bauteile getroffen werden.
Es ist seit langem bekannt, Prüflinge mittels Hydraulik- oder Pneumatikzylindern zu belasten. Eine solche, hydraulische Prüfmaschine wird beispielsweise von der DE 947 577 beschrieben. Der Prüfling ist auf seiner einen Seite starr eingespannt. Auf seiner anderen Seite ist er an einer Kolbenstange befestigt, die auf ihn eine pulsierende Belastung ausübt, die durch einen Hydraulikzylinder erzeugt wird. Hierbei treten große Energieverluste auf. Die gesamte Energie, die zu Beginn eines Lastspiels zunächst aufgebracht wird, um den Prüfling zu verformen bzw. zu belasten und die vom Prüfling bzw. insbesondere auch dem System selbst gespeichert wird, wird bei der Entlastung des Prüflings am Ende des Lastspiels in Wärme umgewandelt. Dementsprechend heizt sich Hydraulikflüssigkeit auf. Es besteht ein entsprechend großer Kühlungsbedarf.
Eine andere bekannte Möglichkeit zur dynamischen Belastung ist die Verwendung eines Feder-Massesystems, bei dem der Prüfling im Regelfall Bestandteil der Feder ist. Ein solches System ist beispielsweise aus der DE 20 2004 01 960 U1 bekannt. Gerade dort, wo der Prüfling einer hochfrequenten Wechselbeanspruchung unterworfen werden soll, ist es oft schwierig, die gewünschte Prüffrequenz zu erreichen und die gewünschte Belastung einzuregeln.
Eine weitere bekannte Methode zur dynamischen Belastung ist schließlich der Einsatz eines Exzenters bzw. Kurbeltriebs. Solche Belastungsvorrichtungen sind im Regelfall so gestaltet, dass der Exzenter bei jedem Umlauf einmal (in der Regel mittelbar) auf den Prüfling drückt und diesen um einen bestimmten Betrag verformt. Ist keine bestimmte Verformung des Prüflings erwünscht, sondern eine bestimmte Kraft bzw. ein bestimmtes Moment, sind Zusatzeinrichtungen notwendig, um die gewünschte Kraft bzw. das gewünschte Moment in kontrollierter Weise zu erreichen.
Schließlich ist es seitens statischer Prüfeinrichtungen bekannt, die auf den Prüfling wirkende Belastung dadurch zu verändern, indem – ähnlich wie bei einer Balkenwaage – ein Gewicht auf einem drehbaren Hebel verschoben wird. Diese aus dem Waagenbau bekannte Machart kann vom Grundsatz her auch zur dynamischen Belastung verwendet werden, indem dem Gewicht eine translatorische Bewegung auf dem Hebelarm aufgezwungen wird, etwa durch einen Kurbeltrieb, einen Linearmotor oder dergleichen. Vorteilhaft bei einer solchen Lösung ist, dass die auf den Prüfling im Laufe eines Belastungszyklus einwirkende Kraft sich auch dann nahezu nicht ändert, wenn der Prüfling nach Hunderttausenden von Belastungszyklen sein Dehnungsverhalten ändert – Konstantlast-Prüfungen sind somit also sehr einfach möglich. Allerdings ist die Frequenz der so darstellbaren Lastwechsel bei einer solchen Vorrichtung infolge der Massenträgheit des Gewichts begrenzt und zwar zu immer niedrigeren Werten hin, desdo höher die für die Prüfung aufzubringende Belastung ist. Daher wird häufig auch so verfahren, dass die Belastung des Hebelarms nicht mittels eines verschiebbaren Gewichts sondern mittels einer Feder realisiert wird. Einer Feder, deren Angriffspunkt an dem Hebel verschoben wird. Diese Verschiebung verändert die Belastung des Prüflings. Mit steigenden Prüflasten ist jedoch ein immer höherer Aufwand erforderlich, um den Anlenkpunkt der Feder an dem Hebelarm so zu gestalten, dass er problemlos und insbesondere mit hoher Frequenz hin und herverschoben werden kann. Schwierigkeiten bereitet insbesondere auch die Tatsache, dass sich die Länge und damit die Spannung der hier in Betracht kommenden Schraubenfedern ändert, wenn deren einer Anlenkpunkt am Hebel hin und her verschoben wird.
Im Lichte dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer sich Prüflinge mit vermindertem apparativen Aufwand bei höheren Frequenzen mit einer definierten Kraft bzw. mit einem definierten Drehmoment belasten lassen.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein den Hebelarm, unter dem die Last über den Belastungshebel auf den Prüfling ein wirkt, bestimmendes Lager derart ortsveränderlich ist, dass die zyklische Änderung der Prüfbelastung durch eine zyklische Ortsveränderung dieses Lagers erzeugt werden kann. Auf diese Art und Weise kann der Hebelarm, unter dem die Last über den Belastungshebel auf den Prüfling einwirkt, zyklisch verändert werden, ohne dabei nennenswerte Massen bewegen zu müssen – so dass die konstruktiv einfache Vorrichtung sehr effizient zu arbeiten vermag (es müssen nicht kontinuierlich Trägheitskräfte überwunden werden) und ggf. ausgesprochen hochfrequent betrieben werden kann. Sie zeichnet sich überdies durch ihre Laufruhe und ihren nur sehr geringen Verschleiß aus. Gerade letzteres ist für eine Prüfeinrichtung, die bestimmungsgemäß auch zur Erprobung der Dauerfestigkeit (jeweils mehrere 10⁷ Lastszyklen pro Prüfling erforderlich) zum Einsatz kommt, von erheblicher Bedeutung.
Vorzugsweise ist das den Hebelarm, unter dem die Last auf den Prüfling einwirkt bestimmende Lager derart ortsveränderlich, dass es im Laufe eines Belastungszyklus in eine Position gebracht werden kann, in der der Belastungshebel keine Last auf den Prüfling überträgt. Es lassen sich dann auch sehr einfach vom lastfreien Zustand ausgehend an- und abschwellende Belastungen darstellen.
Idealerweise ist das den Hebelarm, unter dem die Last auf den Prüfling einwirkt, bestimmende Lager (zusätzlich) derart ortsveränderlich, dass der Prüfling im Laufe eines Belastungszyklus sowohl einer Zugbelastung als auch einer Druckbelastung unterworfen werden kann. Auf diese Art und Weise lassen sich sehr einfach Wechselbeanspruchungen (Zug und Druck usw. im zyklischen Wechsel) darstellen.
Bevorzugt ist der Belastungshebel an einem Ende, vorzugsweise an seinem dem Anbindungsort des Prüflings ferneren Ende, mittels eines Loslagers drehbar an einem Lenker angelenkt, der seinerseits an anderer Stelle schwenkbar an einem Festlager angelenkt ist. Auf diese Art und Weise wird der Belastungshebel ganz einfach gegen unerwünschte Hin- und Herbewegungen festgelegt, die er sonst z. B. unter dem Einfluss der Hin- und Herbewegung seines Auflagepunkts ausführt und die u. U. die auf den Prüfling aufgebrachte Belastung verfälschen.
Am einfachsten ist es das den Hebelarm, unter dem die Last über den Belastungshebel auf den Prüfling einwirkt, bestimmende Lager als Wagen auszuführen, der über eine Rolle mit dem Belastungshebel in Kontakt steht. Bevorzugterweise ist dieser Wagen so an seiner ortsfesten Fahrbahn und dem Belastungshebel geführt, dass er sowohl Zug als auch Druck zwischen seiner Fahrbahn und dem Belastungshebel übertragen kann. Auf diese Art und Weise wird auch bei hohen Bewegungsfrequenzen eine sichere Kraftübertragung gegenüber dem Belastungshebel erreicht.
Hohe Frequenzen lassen sich recht einfach dadurch erzielen, dass der Wagen elektromagnetisch hin und her bewegt wird, also im weitesten Sinne als „Läufer" fungiert, der zwischen zwei Elektromagneten oszilliert – bei geschickter Ansteuerung des elektrischen Feldes ohne im Bereich seiner jeweils äußersten Position an feste Bauteile anzuschlagen, weil das Feld jeweils rechtzeitig umgesteuert wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles, das an Hand der Figur erläutert wird.
Die Figur zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung 1.
Die Vorrichtung 1 besteht aus einem hinreichend starren Maschinenrahmen 5, an dem einseitig der Prüfling 2 angelenkt wird. An seinem anderen Ende wird der Prüfling 2 an dem möglichst biegesteifen Belastungshebel 3 angelenkt.
Auf den Belastungshebel 3 wirkt eine Last 4 ein, die hier als Massekörper „m"ausgeführt ist, statt dessen aber auch eine Feder sein kann – was bei hohen Frequenzen zu bevorzugen ist, um die trägen Massen klein zu halten.
Der Belastungshebel 3 ist an seinem dem Prüfling 2 abgewandten Ende an einem Lenker in Form einer Führungsstange 6 angelenkt. Die Führungsstange 6 ist am Maschinenrahmen 5 mittels eines Festlagers 9 und am Belastungshebel mittels eines Loslagers 8 angelenkt. Letzteres stellt lediglich eine Verbindung zwischen der Führungsstange 6 und dem Belastungshebel 3 her, ist aber selbst nicht am Maschinenrahmen 5 festgelegt, sondern in Bezug auf den Maschinenrahmen ortsveränderlich. Beide Lager 8,9 erlauben lediglich Schenkbewegungen um Achsen, die jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung, in der Last in den Prüfling eingeleitet wird, und zur Längsachse des Belastungshebels 3 verlaufen. Die Führungsstange 6 lässt die zur Belastung des Prüflings erforderlichen nur kleinen Bewegungen des Belastungshebels nahezu ungehindert zu.
Der entscheidende Punkt ist, dass das den Belastungshebel 3 abstützende Lager 7, das hier in Gestalt eines Wagens ausgeführt ist, der mittels einer Rolle mit dem Belastungshebel in Kontakt steht, ortsveränderlich ist. Der Wagen kann nämlich längs des schwarzen Pfeils hin und her gefahren werden, z. B. mittels eines hier nicht gezeigten Kubelwellenantriebs. Dementsprechend ändert sich der Hebelarm, über den die Last mittels des Belastungshebels 3 am Prüfling 2 angreift.
In der hier gezeigten Position wird der Prüfling 2 mit einem Teil der Last auf Zug belastet, die aus dem Massekörper „m" resultiert, der sich über den Belastungshebel 3 teils auf dem Lager 7 und teils am Prüfling 2 abstützt. Wird der Wagen nach rechts verfahren, so wird die Belastung des Prüflings solange immer kleiner, bis der Kontaktpunkt zwischen der oberen Rolle des Wagens und dem Belastungshebels genau unterhalb des Schwerpunkts des Massekörpers „m" liegt und die Belastung des Prüflings damit zu Null wird. Wird der Wagen nun noch weiter nach rechts verfahren, dann wird der Prüfling in zunehmend steigendem Maße auf Druck belastet.
Da jede Zug- bzw. Druckkraft in eine biegend oder tordierend usw. wirkende Kraft umgewandelt werden kann, ist es mit dieser Vorrichtung selbstverständlich auch möglich Torsion und/oder Biegung bzw. Schub auf den Prüfling aufzubringen. Es kommt nur auf dessen Einspannung an.

Claims

Vorrichtung (1) zur Beaufschlagung des Prüflings (2) mit einer sich zyklisch ändernden Prüfbelastung, wobei die Vorrichtung einen um eine Hebeldrehachse (7) beweglichen Belastungsebel (3) umfasst, der kraftschlüssig mit dem Prüfling (2) verbunden ist und eine auf den Belastungshebel (3) einwirkende Last (m) zur Erzeugung einer dem Prüfling (2) durch den Belastungshebel (3) vermittelten, sich zyklisch ändernden Prüfbelastung, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Hebelarm, unter dem die Last über den Belastungshebel (3) auf den Prüfling (2) einwirkt, bestimmendes Lager (7) derart ortsveränderlich ist, dass die zyklische Änderung der Prüfbelastung durch eine zyklische Ortsveränderung dieses Lagers (7) erzeugt werden kann;
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Hebelarm, unter dem die Last auf den Prüfling (2) einwirkt, bestimmende Lager (7) derart ortsveränderlich ist, dass es im Laufe eines Belastungszyklus in eine Position gebracht werden kann, in der der Belastungshebel (3) keine Last auf den Prüfling (2) überträgt;
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Hebelarm, unter dem die Last auf den Prüfling einwirkt, bestimmende Lager (7) derart ortsveränderlich ist, dass der Prüfling (2) im Laufe eines Belastungszyklus sowohl einer Zugbelastung als auch einer Druckbelastung unterworfen werden kann;
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungshebel (3) an einem Ende, vorzugsweise an seinem dem Anbindungsort des Prüflings (2) ferneren Ende, mittels eines Loslagers (8) drehbar an einem Lenker (6) angelenkt ist, der seinerseits an anderer Stelle schwenkbar an einem Festlager (9) angelenkt ist;
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Hebelarm, unter dem die Last über den Belastungshebel (3) auf den Prüfling (2) einwirkt, bestimmende Lager (7) ein Wagen ist, der über eine Rolle mit dem Belastungshebel (3) in Kontakt steht;
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagen so an seiner ortsfesten Fahrbahn und dem Belastungshebel geführt ist, dass er sowohl Zug als auch Druck zwischen seiner Fahrbahn und dem Belastungshebel (3) übertragen kann;
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagen mittels einer Kurbelwelle die mit ihm übereine Pleuelstange verbunden ist, zyklisch hin und her bewegt wird;
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagen elektromagnetisch zyklisch hin und her bewegt wird;
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (m) im wesentlichen konstant bleibt,
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (m) durch eine Fedei realisiert ist,
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge und/oder Federrate der Feder so gewählt ist, dass sich die Federkraft in Folge von Bewegungen, denen der belastungshebelseitige Anlenkpunkt der Feder auf Grund von Bewegungen des Belastungshebels (3) unterworfen ist, nur um vernachlässigbare Beträge ändert, vorzugsweise um weniger als 1%, idealerweise um weniger als 0,5%.