DE2053657A1 - Verfahren und-Vorrichtung zur Schwingungsprüfung von Materialproben - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsprüfung von Materialproben Die Erfindung Betrift ein Verfahren zur Dchwingungsprüfung von Materialproben sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Das schwingen von Proben ist im Prinzip bekannt, wird jedoch selten angewandt, und zwar zunächst wegen der Schwierigkeiten der Messung der Regelung der Schwingungsvorgänge über längere Zeit mit ausreichender Genanigkeit. Hier machen sich insbesondere Einflüsse von Stromschwankungen, Ermüdungserscheinungen der Probe u. dgl. störend bemerkbar. Weitere Schwiergkeiten treten bei der Aufhängung der Einspannung der Proben auf. ei der herkömmlichen Einspannung der Proben machen sich Rückwirkungen dieser Einspannung aut die Schwingungsvoränge bemerkbar. Bei ungedämpfer Aufhängung der Proben kommt es leicht zu Taumelschwingungen, , die keine genauen Rückschlüsse auf die dadurch erfolgten Beanspruchunaren der Proben zulassen. Ungedämpft aufgehüngte Proben lassen sich lediglich mit ihrer Resonanzfrequenz schwingen, wobei die Einspannung der Proben in den Sctrwillgungsbno ten erfolgt. Andererseits ist es möglich, Schwingunsgprüfungen mit Schwingungen außerhalb der Resonanzfrequenz durchzuführen, wobei man auf eine Lagerung der Proben in den Knoten verzeichten kann. Der erstgenannte Typ von Achwingungsprüfungen erfolgt kraftfrei, d.h. das Fundament der Scheingungsanordnung nimmt lediglich das statische Gewicht der jeweiligen Probe auf, wobei die von der Schwingung herrührenden Kräfte sich wegen der Resonanzschwingungen gegenseitig aufheben, während die zuletzt genannte Scheingungsprüfung kraftbehaftet ist, d.h. die Kräfte, die von den Schwingungen herrühren, müssen über die Aufhängung in das Fundament eingeleitet werden.
• Nachteilhaft ist die bekannte Schwingungsanordnung insofern, als Verwindungen sowohl bei homogenen als auch bei inhonogenen Proben unvermeidbar sind. Das führt zu den bereits genannten Taumelschwingungen, bei denen sich verschiedene Schwingutigsarten überlagern. Reine Biegeschwingungen sind mitllin auf die Probe nicht aufzubringen; das bedeutet, daß man nicht zu Ergebnissen kommt, die aufgrund reiner Biegeschwingungen zustande gekommen sind. llinztt kommt, daß die Proben schwer eitizurichten sind, was zusätzlich Fehlerquellen nach sich ziehen kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend genariten Art zu finden, dem die vorerwähnten Nachteile nicht anhaften, das vielmehr so ausgebildet ist, daß man nicht nur bei homogenen, sondern auch bei inhomogenen Proben ein reines Biegemoment bzw. entspreellend reine Biegeschwingungen aufbringen kann. Das wird erfindungsgemäß in wesentlichen dadurch erreicht, daß in einer Probe unabhängig von ihrer geometrischen Form, ihrer Homogenität, ihrer Anisotropie oder Isotropie unter variablen, definierten Bedingungen Schwingungen in ihrer Resonanzfrequenz oder außerhulb derselben erzeugt werden.
• Im einzelnen kann das erfindungsgemäße Verfahren noch wahlweise dadurch gekennzeichnet sein, daß a) die Amplitude der der Probe aufgezwungenenSchwin gung dadurch konstant gehalten wird, daß der an einer Stelle gemessene Betrag ihrer Auslenkung zur Regulierung der erregenden Frequenz verwendet wird.
• b) der Betrag der Auslenkung der Probe an jede.
• ihrer Punkte gemessen und kontinuierlich oder punktweise zu einer Biegelinie zusammengesetzt wird.
• c) die Beobachtung der Probe visuell oder fotografisch mit einem Stroboskop erfolgt, dessen Belichtungsmoment durch Triggerung einer beliebigen, aber wählbaren Phase der erregenden Schwingung oder einer beliebigen, aber wählbaren momentanen Auslenkung an einem beliebigen, aber wählbaren Punkt der Probe vorgellommen wird.
• d) sich die Probe in einem gescltlossenen Raum befindet, in dem definierte Umgebungsbedingungen einstellbar sind.
• e) die Probe durch direkte Widerstandsheizung oder indirekte Strahlungs- und/oder Konvektionsheizung auf eine konstante oder zeitlich variable oder von der Frequenz und/oder von der Amplitude abhängige Temperatur gebracht wird.
• Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein Fundament, an dem sich mit Gelenken versehene Kolbenstangen befinden; mit Federn belastete Stoßdämpferkolben, die mit den Kolbens tangen verbunden sind; Stoßdämpferzylinder, in denen sidi die Stoßdämpferkolben befinden und die mit allseitig knickburen Gelenken verbunden sind, wobei die allseitig knickbaren Gelenke an ihrem unteren Ende Einspannvorichtungen zur kraftschlüssigen Verbindung mit der Probe tragen; einen Antriebsmotor, der mit einer Exzenterscheibe über eine elastische Welle verbunden ist, wobei das eine Ende der Probe an einem Exzenterpunkt befestigt ist; Hoch frequenz liii tia toren, die an einem Gestell höhenverstellbar ungeordnet sind und einen Servomotor, der von Impulsen der Hochfrequenzinitiatoren über eine Kippstufe, ein Relais, einen Schalter und einen Wendeschütz derartig betätigt wird, daß die Drehzahl des Antriebsmotors die Probe immer in vorgegebener Frequenz, insbesondere in der Resonanzfrequenz, schwingen läßt.
• Im einzelnen kann diese Vorrichtung noch eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: a) Die Einspannvorrichtung ist die Doppelschneide ausgebildet.
• b) Die Einspannvorrichtung besteht aus zwei Zylindern.
• c) Die Einspannvorrichtung besteht aus Spitze mit Gegenfläche.
• d) Die allseitig knickbaren Gelenke sind als Kugelgelenke ausgebildet.
• e) Die allseitig knickbaren Gelenke sind als Kardangelenke ausgebildet.
• Auf die vorstehend beschriebene Weise kann mun symmetrische und asymmetrische Proben bezüglich ihrer äußeren geometrischen Form sowie bezüglich ihrer Werkstoffeigenschaften (metallische und nichtmetallische Werkstoffe) schwingen. Ausserdem können eill- und mehrachsige Spannungen erzeugt werden, d.h. man kann reine Biegespannungen und Biegetorsionsspannungen auf die Proben aufbringen. Die Verwindungen bzw.
• Taumelschwingungen fallen fort, und zwar nicht nur bei homogenen Proben, sonder selbst bei inhomogenen Proben, da man durch Anbrigen aunterschiedlicher Federn innerhalb der einzelner Stoßdämpfer die inhomogenität solcher Proben ausgleichen kann- Außerdem inssen sich Schwingungen von Resonanzfrequenz und solche außerhalb der Resonanzfrequenz mit der arfindungsgemäßen Vorrichtung au@ die Probe aufbringen.
• Die genannten Inhomogenitäten sind aif die Formgebung der Proben aber auch auf verschiedene Materialien in ein und derselben Probe zurückzuführen. So ist es z.B. von Interesse, die Biegefestigkeit von Proben bzw. Bauteilen zu ermitteln, die aus verschiedenen Materialien durch Schweißen o.dgl. aufgebaut sind, wobei die unterschiedlichen Materialeigenschaften, Formgebungen, Elastizitäts.Modulen derart ausgeglichen werden, daß man zu einer einheitlichen Biegelinie gelangt, die Rückschlüsse auf die Biegefestigkeit der Verbindungsstelle zuläßt.
• Das vorstehend beschriebene Prüfungsprinzip läßt nicht nur das Aufbringen von Querkräften, die zu Biegeschwingungen führen, zu, sondern ermöglicht darüberhinaus auch das Aufbringen von Längskräften, mithin von pulsierenden Schwingungen. Andere Größen, die auf die Schwingsgungsfestigkeit von Schweißnähten o.dgl. von Einfluß sind, wie beispielsweise Korrosionserscheinungen, extremer Temperaturwechsel o.dgl., lassen sich ohne weiteres in die Schwingungsprüungern mit einbeziehen.
• Die vorstehend beschriebene Messung erfolgt berührungslos, so daß es nicht zu Riickwirkungen auf den Schwingsvorgang kommen kann. Eln weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Anpassung des Zeitverhaltens der Amplitudeiimessung an die Frequenz der Probe ohne weiteres möglich ist.
• Vorteilhaft erfolgt die Amplitudenmessung im Bereich der maximalen Amplitude. Dabei ist die Ansprechempfindlichkeit der Hochfrequenz-Initiatoren im Hinblick auf die speziell vorliegenden Bedürfinisse wählbar.
• In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. I)ie Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellte Ausführungsform, vielmehr sind im Rahmen der Erfindung weitere Abwandlungen möglich.
• Die in der Zeichnung dargestelle Anordung dient zum Schwingen der Probe 1, beispielsweise zur Ermittlung ihrer Gestaltsfestigkeit hinsichtlich ihrer dynamischen Beanspruchbarkeit. Die beiden strichpunktierten Linien 2 und 3 geben die Schwingungsendlagen der Probe 1 wieder. Letztere ist an den Punkten 4 eingespannt. Die Einspannstelle 4 ist über das Kardangelenk 3 an dem Stoßdämpferzylinder 6 befestigt, während der federbelastete (8) Stoßdämpferkolben 7 über die Kolbenstange 9 und das Gelenk 10 mit dem Fundament 11 verbunden ist, das in diesem Falle vereinfachend an den beiden Enden 12 und 13 fest eingespannt dargestellt ist.
• Die beiden Hochfrequenz-Initiatoren 14 und 15, die an den Gerüst 16 höhenverstellbar angeordnet sind, stellen berührungslos Abweichungen von den beiden gewünschten Schwingungsendlagen 2 und 3 fest Sofern die Schwingungsamplitude der Probe 1 durch beispielsweise Materialermüdung sich dem gewünschten Wert gegeer verringert, so wird das in den Initiator 15 festgestellt, der daraufhin einen Impuls abgibt, welcher über die Kippstufe 17 das Relais 18 erregt, das seinerseits den Schalter 19 betätigt. Dadurch tritt der Wendeschütz 20 in Funktion, der den Servomotor 21 derart nachstellt, daß der Antriebsmotor 22 seine Drehzahl in der gewünschten Weise abiindert. Dadurch ändert auch die mit dem Antrieb 22 über die elastische Welle 23 verbundene Exzenterschelbe 24 ihre Drehzahl, so daß die Schwingungsírequenz des Exzenterpunktes 25 in den beiden Richtungen der Pfeile a und b sich ebenfalls entsprechend ändert, wonach die Probe 1 nach dieser Frequenzänderung wieder in Resonanzfrequenz schwingt, d.h. mit größtmöglicher Amplitude, um auf diese Weise die größtmögliche Belastung für die Probe 1 auf längere Zeit ausüben ZU können.
• Der Hochfrequenz-Initiator 14 arbeitet auf die gleiche Weise, wie vorstehend zu dciii Hochfrequenz-Initiator 15 beschrieben.

Claims (12)

Patenta-llspriiche:

1) Verfahren zur Schwingungsprüfung von Materialproben, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Probe unabhähgig von ihrer geometrischen Form, ihrer Homogenität, ihrer Anisutropie oder Isontropie witer variablen, definierten Bedingungen Schwingungen in ihrer Resonanzlrequenz oder außerhalb derselben erzeugt werden.

2) Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der der Probe aufgezwngegen Schwingung dadurch konstant gehalten wird, daß der an einer Stelle gemessene Betrag ihrer Auslenkung zur Regulierung der erregenden Frequenz verwendet wird.

3) Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Auslenkung der Probe an jedem ihrer Punkte gemessen und kontinuierlich oder punktweise zu einer Biegelinie zusammengesetzt wird.

4) Verfahren nach einem der Anspriiche 1 bis 3, dadurch gekemlzeichnet, daß die Beobachtung der Probe visuell oder fotografisch mit einem Stroboskop erfolgt, dessen Belichtungsmoment durch Triggerung einer beliebigen, aber wählbaren Phase der erregenden Schwingung oder einer beliebigen, aber wählbaren momentanen Auslenkung an einem beliebigen, aber wählbaren Punkt der Probe vorgenommen wird.

5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,daß sich die Probe in einem geschlossenen Raum befindet, in dem definierte Umgebungsbedingungen einstellbar sind.

6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, du13 die Probe durch direkte Widerstandsheizung oder indirekte Strahlungs- und/oder Konvektionsheizung auf eine konstante oder zeitlich variable oder von der Frequenz und/oder von der Amplitude abhängige Temperatur gebracht wird.

7) Vorrichtung zur Durclifiihrung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5,gekennzeichnet durch ein Fundament (11), an dem sich mit Gelenken (10) versehene Kolbenstangen (9) befinden; mit Federn (8) belastete Stoßdämpferkolben (7), die mit den Kolbenstangen (9) verbunden sind; Stoßdämpferzylinder (6), in denen sich die Stoßdämpferkolben (7) befinden und die mit allseitig knickbaren Geienken (5) verbunden sind, wobei die allseitig knickbuten Gelenke (5) an ihrem unteren Ende Einspannvorrichtungen (Il) zur kraftschlüssigen Verbindung mit der Probe (1) tragen; einen Antriebsmotor (22), der mit einer Exzenterscheibe (24) iiber eine elastische Welle (23) verbunden ist, wobei das eine Ende der Probe (1) an einem Exzenterpunkt (25) befestigt ist; Hochfrequenzinitiatoren (14, 15), die un einem Gestellt (16) höhenverstellbar angeordnet sind und einen Servomotor (21), der von Impulsen der Hochfrequenzinitiatoren (14, 15) über eine Kippstufe (17), ein Relais (18), einen Schalter (19) und einen Wendeschütz (20) derartig betätigt wird, daß die Drehzahl des Antriebsmotors die Probe (1) immer in vorgegebener Frequenz, insbesondere in der Resonanzfrequenz, schwingen läßt.

8) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Einspannvorrichtung (4) als Doppelschneide ausgebildet ist.

')) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung (4) aus zwei Zylindern besteht.

10) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch. gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung (4) aus Spitze mit Gegenfläche besteht.

11) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die allseitig knickbaren Gelenke ()) als Kugelgelenke ausgebildet sind.

12) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die allseitig knickbaren Gelenke (5) als Kardangelenke ausgebildet sind.

L e e r s e i t e