DE2053657B2 - Vorrichtung zur Schwingungsprüfung von Materialproben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsprüfung von Materialproben mit einem Fundament, an welchem zwei Aufhängeeinrichtungen für die Probe befestigt sind, und mit einer Einrichtung

zur Aufbringung von Schwingungen auf die Probe.

Das im Prinzip bekannte Schwingen von Proben

wird selten angewendet, weil die Regelung der Schwingungsvorgänge über längere Zeit sowie die Messung der Amplitude mit ausreichender Genauigkeit schwierig ist. Hierbei machen sich insbesondere Schwankungen in der Energiezufuhr zum Schwingungserreger, beispielsweise Stromschwankungen für den Antriebsmotor, sowie Ermüdungserscheinungen

ίο der Probe störend bemerkbar. Weitere Schwierigkeiten treten bei der Aufhängung und bei der Einspannung der frei schwingenden Probe auf. Bei der herkömmlichen Einspannung dieser Proben machen sich Rückwirkungen der Einspannung auf die Schwinungsvorgänge bemerkbar. So kommt es bei ungedämpfter Aufhängung der Proben leicht zu überlagernden Schwinungen, welche keine genauen Rückschlüsse auf die dadurch bewirkte Beanspruchung der Proben zulassen. Schwinungsprüfungen mit Schwingungen außerhalb der Resonanzfrequenz der Probe sind kraftbehaftet, d. h. die Kräfte, welche von den Schwingungen herrühren, werden über die Aufhängung in das Fundament eingeleitet.

Aus der DT-OS 2 022 633 ist eine Vorrichtung zur Messung von Dämpfungscharakteristiken bekannt. Dabei fühlen nach Fig. 9 dieser Offenlegungsschrift an einem Luftfahrzeug befestigte Sendewandler die Schwingungen an kritischen Stellen des Flugkörpers ab. Die Ausgänge der Sendewandler werden zur Be-

jo grenzung der Signale auf eine interessierende Bandbreite jeweils einem Filter zugeführt. Diese begrenzten Signale werden in einen Dämpfungsdetektor eingegeben, dessen verschiedene Ausgänge über Mittelwertbildungsstromkreise einer Datenabtasteinrichtung zugeführt werden. Die Datenabtasteinrichtung ihrerseites ist mit einer Aufzeichnungseinrichtung und einer Einrichtung für sichtbare Darstellung sowie mit einem Rechner verbunden. Weiterhin ist eine Standardauswahleinrichtung vorgesehen, welche aus einem Speicher einen Standard auswählt, wobei der Speicher mit dem Dämpfungsdetektor verbunden ist und weiterhin der Ausgang des Speichers der Datenabtasteinrichtung zugeführt wird. Dadurch wird einerseits an der Aufzeichnungseinrichtung und an der Einrichtung für sichtbare Darstellung eine Abweichung der empfangenen Eingangssignale von denen des gewählten Standards unmittelbar angezeigt, während andererseits der Rechner bei einer Abweichung der gemessenen Signale von denen des Standards Stellbefehle an am Luftfahrzeug befindliche Servoeinrtchtungen gibt, beispielsweise zur Verringerung der Energiezufuhr zu einem oder mehreren der Antriebsaggregate, wenn ein einen Stabilitätsverlust anzeigendes Signal auftritt.

Bei einer bekannten Versuchsanordnung für Dauerfestigkeitsversuche bei statistischer Beanspruchung werden von einem Rauschgenerator herrührende Schwingungen nach Filterung und Verstärkung auf einen Schwingtisch gegeben, an welchem der Probekörper befestigt ist. Der Probekörper ist mit Dehnungsmeßstreifen versehen, deren Signale nach Verstärkung einem Pegelschreiber, einem Röhrenvoltmeter und einem Oszillographen zugeführt werden (vergl. »MASCHINENBAUTECHNiK«, 1962, Heft 11, Seiten 590 bis 593).

Bei bruchmechanischen Experimenten ist es u. a. üblich, in einer ersten Stufe einen Daueranriß in einer Kerbe der Probe zu erzeugen, während die Probe in

einer zweiten Stufe bis zum Bruch im Zugversuch geprüft wird. Hierbei kann man durch zusätzliche Amplituden-Kontrollgeräte automatisch die Lasten in einem Amplituden-Streubereich von weniger als 1% halten (vergl. »MATERIALPRÜFUNG«, 1970, Heft 7, Seiten 229 bis 235).

Nachteilig ist bei den bekannten Schwingungsanordnungen, daß sich dabei verschiedene Schwingungsarten überlagern können. Diese Schwingungsanordnungen liefern daher Ergebnisse, welche nicht ι ο aufgrund reiner Biegeschwingungen zustande gekommen sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Schwingungsprüfung von Materialproben zu schaffen, mit welcher es möglich ist, sowohl auf Prüfkörper als auch auf Bauteile reine Biegeschwingungen aufzubringen.

Diese Vorrichtung, die ein Fundament, an welchem zwei Aufhängeeinrichtungen für die Probe befestigt sind, und eine Einrichtung zur Aufbringung von Schwingungen auf die Probe aufweist, ist erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender Merkmale gekennzeichnet:

a) jede Aiufhängeeinrichtung besteht aus einer mit einem Gelenk versehenen Kolbenstange, einem -'5 an ihrem unteren Ende befestigten Kolben, einem Zylinder und einer Einspannvorrichtung zur kraftschlüssigen Verbindung mit der Probe;

b) der Kolben ist im Zylinder gleitend angeordnet, während die Kolbenstange innerhalb des Zylinders von einer Feder konzentrisch umgeben ist;

c) die Unterseite des Zylinders ist über ein allseitig knickbares Gelenk mit der Einspannvorrichtung verbunden;

d) die Einrichtung zur Aufbringung von Schwin- J5 gungen besteht aus einer mit der Probe kraftschlüssig verbundenen, exzentrisch wirkenden Unwucht sowie aus einem mit der Unwucht über eine elastische Welle verbundenen Antriebsmotor und ist regelbar;

e) die Regelbarkeit der Einrichtung zur Aufbringung von Schwingungen ist dadurch erreicht, daß ein von Impulsen von Hochfrequenz-Initiatoren, welche an einem Gestell oberhalb und unterhalb der Probe höhenverstellbar angeordnet sind, über eine Kippstufe, ein Relais, einen Schalter und einen Wendeschütz betätigbarer Servomotor die Drehzahl des Antriebsmotors verändert, so daß die Probe immer mit einer vorgegebenen Amplitude schwingt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung bestehen darin, daß

α die Einspannvorrichtung als Doppelschneide

ausgebildet ist;
β die Einspannvorrichtung aus zwei Zylindern besteht;

ϋ die Einspannvorrichtung aus Spitze mit Gegenfläche besteht;

ö die allseitig knickbaren Gelenke als Kugelgelenke ausgebildet sind; t>o ε die allseitig knickbaren Gelenke als Kardangelenke ausgebildet sind.

Mit der Vorrichtung wird die Probe zu erzwungenen Biegeschwingungen mit beliebiger Frequenz angeregt, wobei die Amplitude der erzwungenen Biegeschwingungen an einer vorgegebenen Stelle der Probe gemessen und durch Regeln der Frequenz konstant gehalten wird. Wenn die Probe derartige Biegeschwingungen ausführt, kann man die Amplitude dieser erzwungenen Schwingungen an jedem Punkt der Probe messen und zu einer Biegelinie zusammensetzen, wobei die Messung der Amplitude mit einem Stroboskop erfolgen kann.

Mit der Vorrichtung kann man sowohl Normprüfkörper als auch Bauteile unabhängig von dem Werkstoff, aus welchem sie bestehen, und dessen Eigenschaften schwingen, wobei die Proben auf reine Biegewechselspannung beansprucht werden. Verwindungen sowie Schwingungsüberlagerungen fallen fort; und zwar nicht nur bei Normprüfkörpern, sondern auch bei Bauteilen, da man durch Verwendung verschiedener Federn in den Zylindern der Aufhängeeinrichtungen die Dämpfung jeweils der Masse der Probe anpassen kann.

Mit der Vorrichtung ist es möglich, die Biegezugfestigkeit von Prüfkörpern und Bauteilen zu ermitteln, welche aus verschiedenen Materialien bestehen und beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind. Da dabei auch die unterschiedlichen Materialeigenschaften und Formgebungen miterfaßt werden, sind dadurch auch Rückschlüsse auf die Biegewechselfestigkeit der Verbindungsstelle möglich.

Bei der Vorrichtung lassen sich auch andere Größen, welche die Biegewechselfestigkeit beeinflussen, beispielsweise Korrosionserscheinungen und extremer Temperaturwechsel, mit in die Schwingungsprüfung einbeziehen.

Die Messung der Amplitude erfolgt bei der Vornchtungmit Hilfe von Hochfrequenz-Initiatoren^, h. berührungslos, so daß diese Messung keine Rückwirkungen auf den Schwingungsvorgang mit sich bringt. Dabei erfolgt die Amplitudenmessung vorteilhaft im Bereich der maximalen Amplitude.

Anhand der Zeichnung wird die Vorrichung näher erläutert.

Mit Hilfe der Vorrichtung soll die in zwei Einspannvorrichtungen 4 eingespannte Probe 1 hinsichtlich ihrer dynamischen Beanspruchbarkeit schwingen. Die strichpunktieren Linien (2, 3) geben die Schwingungsendlagen der Probe 1 wieder.

Jede Einspannvorrichtung 4 ist über ein allseitig knickbares Gelenk 5 an der Unterseite eines Zylinders 6 befestigt. Im Zylinder 6 ist ein Kolben 7 gleitend angeordnet, welcher mit einer Kolbenstange 9 verbunden ist. Die Kolbenstange 9, welche innerhalb des Zylinders 6 von einer Feder 8 konzentrisch umgeben ist, ist an ihrem oberen Ende mit einem Gelenk 10 versehen, das seinerseits mit einem Fundament 11 verbunden ist. Dabei ist das Fundament 11 an seinen beiden Enden (12, 13) fest eingespannt.

An einem Gerüst 16 sind zwei Hochfrequenz-Initiatoren (14, 15) höhenverstellbar oberhalb und unterhalb der Probe 1 angeordnet. Die Hochfrequenz-Initiatoren (14,15), deren Ansprechempfindlichkeit im Hinblick auf spezielle Bedürfnisse wählbar ist, stellen berührungslos Abweichungen der Probe 1 von ihrem Schwingungsendlagen (2, 3) fest. Verringert sich die Schwingungsamplitude der Probe 1, beispielsweise durch Materialermüdung, gegenüber einem vorgegebenen Wert, so wird dies von dem unteren Hochfrequenz-Initiator 15 festgestellt, welcher einen Impuls abgibt, der über eine Kippstufe 17 und ein Relais 18 einen Schalter 19 betätigt. Dadurch wird ein Servomotor 21 in Lauf gesetzt, dessen Laufrichtungein Wendeschütz 20 bestimmt. Der laufende Servomotor 21 verändert die Drehzahl eines Antriebs-

motors 22, welcher über eine elastische Welle 23 mit einer exzentrisch wirkenden Unwucht 24 verbunden ist, so lange, bis die Probe 1 wieder in der vorgegebenen Amplitude schwingt.

Vergrößert sich die Schwingungsarnplitude der Probe 1, so wird dies von dem oberen Hochfrequenz Initiator 14 festgestellt. Über den oben beschriebene! Regelweg wird dann eine entsprechende Verringe rung der Amplitude der schwingenden Probe 1 be wirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

b) Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Schwingungsprüfung von Materialproben mit einem Fundament, an welchem zwei Aufhängeeinrichtungen für die Probe befestigt: sind, und mit einer Einrichtung zur Aufbringung von Schwingungen auf die Probe, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) jede Aufhängeeinrichtung besteht aus einer mit einem Gelenk (10) versehenen Kolbenstangc (9), einem an ihrem unteren Ende befestigten Kolben (7), einem Zylinder (6) und einer Einspannvorrichtung (4) zur kraftschlüssigen Verbindung mit der Probe (1); der Kolben (7) ist im Zylinder (6) gleitend angeordnet, während die Kolbenstange (9) innerhalb des Zylinders (6) von einer Feder (8) konzentrisch umgeben ist;

c) die Unterseite des Zylinders (6) ist über ein allseitig knickbares Gelenk (5) mit der Einspannvorrichtung (4) verbunden;

d) die Einrichtung zur Aufbringung von Schwingungen besteht aus einer mit der Probe (1) kraftschlüssig verbundenen, exzentrisch wirkenden Unwucht (24) sowie aus einem mit der Unwucht (24) über eine elastische Welle (23) verbundenen Antriebsmotor (22) und ist regelbar;

e) die Regelbarkeit der Einrichtung zur Aufbringung von Schwingungen ist dadurch erreicht, daß ein von Impulsen von Hochfrequenz-Initiatoren (14,15), welche an einem Gestell (16) oberhalb und unterhalb der Probe (1) höhenverstellbar angeordnet sind, über eine Kippstufe (17), ein Relais (18), einen Schalter (19) und einen Wendeschütz (20) betätigbarer Servomotor (21) die Drehzahl des Antriebsmotors (22) verändert, so daß die Probe (1) immer mit einer vorgegebenen Amplitude schwingt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung (4) als Doppelschneide ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung (4) aus zwei Zylindern besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung (4) aus Spitze mit Gegenfläche besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die allseitig knickbaren Gelenke (S) als Kugelgelenke ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die allseitig knickbaren Gelenke (5) als Kardangelenke ausgebildet sind.