DE2238879C3 - Prüfgerät für dynamische Untersuchungen an viscoelastischen Prüfmustern - Google Patents

Description

2. Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halteelement (60) jochartig mit zwei parallelen, axial verlaufenden Armen ausgebildet ist, weiche das zweite Halteelement (70) so umgreifen, daß jeder die Außenfläche eines Paars von Prüfmustern berührt, deren Innenfläche jeweils am inneren Halteelement anliegen.

3. Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Abfühlen der von einem einzigen Prüfmuster erzeugten Kraft aus einer dem zweiten Halteelement (70) zugeordneten Kraftmeßzelle (106) besteht.

Die Erfindung betrifft ein Prüfgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I. Ein derartiges Prüfgerät ist aus der DE-AS 11 30 631 bekannt und zeigt ein mechanisches Schwingsystem mit stufenlos veränderlicher Frequenz und Amplitude, bei dem die schwingenden Massen an einem membranartigen, zwischen Grundplattenober- und -unterteil fest eingespannten Federelement schwingfähig befestigt sind, wobei dessen Federkonstante mittels einer Verstellkraft veränderbar ist, und die federnde Länge des Federelements in Abhängigkeit von der auf das Federelement wirkenden Verstellkraft durch Anlegen des Federelements an eine feste Kurvenfläche des Grundplattenoberteils verändert wird. In der bekannten Anordnung ist dabei das Prüfmuster auf eine Schwingtischplatte aufgelegt.

Es ist ferner bei einer dynamischen Werkstoffprüfmaschine bekannt, eine Krafterzeugungseinrichtung für wechselnde Kräfte mit einem einstellbaren Schwingkopf vorzusehen, sowie mit einer Prüfeinrichtung, die für die vertikale Belastung eines Prüfkörpers eingerichtet sein kann, der zwischen einem Schwingkopf und einer auf versenkbaren Holmen gelagerten Gegenspannplatte eingespannt wird (DE-PS 11 34 535).

Schließlich ist eine Vorrichtung zur Aufprägung einer auf Biegung gerichteten Materialermüdungsbelastung auf einen Stab bekannt, die mittels elektrodynamischer Schwingungsübertragung arbeitet, wobei der Stab beidseitig frei aufliegt und eine Biegeermüdungsbeiastung auf den Stab ausgeübt wird (DE-OS 19 45 356).

Die bekannten Vorrichtungen sind jeweils für ganz bestimmte Belastungsfälle, wie beispielsweise eine Druckbelastung oder eine Biegebelastung ausgebildet. Demgegenüber liegt der Erfindung Jie Aufgabe zugrunde, ein Prüfgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, auf dem sowohl Druckprüfungen wie Scherprüfungen vorgenommen werden können, ohne daß störende Schwingungen in unerwünschten Richtungen oder auf anderen Frequenzen auftreten und statische Belastungen und Spannungen weitgehend vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) das Halteelement mit der Masse über einen Bundkörper verbunden ist und mindestens eine pianare Fläche besitzt, die parallel zur Fläche des ersten beweglichen Halteeiements liegt und eine zweite Fläche mindestens eines Prüfmusters an einer der ersten Fläche desselben gegenüberliegenden Seite erfaßt:

b) eine an sich bekannte Kraftmeßeinrichtung zum Abfühlen der vom Widerstand eines Prüfmusters bei der Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Halteelement erzeugten Kraft über den Bundkörper zinerseits mit dem Halteelement, andererseits mit der Masse verbunden ist;

c) eine Einrichtung zum Abfiihlen der relativen Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Halteelement vorhanden ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Halteelement jochartig mit zwei parallelen, axial verlaufenden Armen ausgebildet, welche das zweite Halteelement so umgreifen, daß jeder die Außenfläche eines Paars von Prüfmustern berührt, deren Innenfläche jeweils am inneren Halteelement anliegt.

Durch diese Ausbildung wird bei Antrieb des ersten jochartigen Halteelements bei stationär gehaltenem zweiten, mittigen Halteelement die erwünschte gleichachsig verlaufende Bewegung erhalten, bei welcher alle infolge der Scherkräfte auftretenden Reaktionsmomente aufgehoben werden. Unerwünschte Frequenzen infolge stehender Wellen werden dabei dadurch vermieden, daß die beiden Halteelemente Vergleichs-

weise kurz ausgebildet sind, da bei kürzeren Bauteilen die erforderliche Frequenz steigt, bei welcher stehende Wellen entstehen können.

Das erfindungsgemäße Prüfgerät für viskoelastische Werkstoffe ermöglicht eine Scher- oder Druckprüfung innerhalb eines weiten Bereichs mit schnell veränderbaren Verformungsamplituden, Frequenzen und Prüftemperaturen und arbeitet sehr genau und präzise, wobei die Temperaturgradienten innerhalb des Prüfmusters steuerbar und auf ein Minimum reduzierbar sind.

Diese günstigen Eigenschaften werden mit einem sehr geringen Aufwand an thermischen, elektronischen und mechanischen Bauteilen erreicht und ohne daß sie sich gegenseitig beeinflussen.

Das Prüfgerät erteilt dem Prüfmuster eine sinusförmige Formänderung bzw. Deformation. Die im Prüfmuster entwickelte Formänderung und Kraft bzw. Spannung werden durch geeignete Wandler abgefühlt Unter Verwendung geeigneter Steuerungen und geeigneter Instrumentierung kann der Total- oder Komplexmodul des Materials zusammen mit dessen »Verlust«- oder Phasenwinkel festgestellt werden.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläjiert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des Prüfgeräts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf das Prüfgerät der F i g. 1 in Richtung der Pfeile 2-2 bei Einstellung des Prüfgeräts für Scheruntersuchungen,

Fig.3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig.4 eine weitere Schnittansicht des Prüfgeräts längs der Linie 4-4 in F i g. 2,

Fig. 5 eine Ansicht in Richtung der Pfeile 5-5 in F i g. 2 unter Darstellung einer am Prüfmuster anliegenden Fläche einer der zur Befestigung der Prüfmuster dienenden Halteelemente für Scheruntersuchungen,

Fig.6 eine vereinfachte schematische Darstellung der Art, wie bei Scheruntersuchungen Meßwertanzeigen erfolgen,

F i g. 7 eine Teil-Draufsicht des Prüfgerätes, bei welchem die zur Halterung des Prüfmusters dienende Anordnung ausgetauscht und durch eine Halterung für Druckuntersuchungen ersetzt ist,

Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 in F i g. 7,

Fig.9 eine Schnittansicht längs, der Linie 9-9 in F i g. 7 und

Fig. 10 eine vereinfachte schematische Darstellung einiger der Steuerungseinheiten und der Anzeigeschaltkreise, welche bei Durchführung der Untersuchungen bei unterschiedlichen Temperaturen benutzt werden können.

In Fig. 1 ist eine schwimmende bzw. »seismische« Auflage 4 dargestellt. Sie wird durch ein Untergestel! mit einer Reihe vertikaler Träger 2 abgestützt. Jeder der Träger besitzt, eine Basisplatte 6, welche mittels Bolzen oder anderer Befestigungselemente an der Oberseite des zugehörigen Trägers angebracht ist. Jede der Basisplatten 6 ist mit zur Führung von Federn dienenden Verlängerungen 8 versehen, innerhalb welchen sich schwere Stahlfedern 10 vertikal auf jeder Basisplatte abgestützt nach oben erstrecken. Die oberen Enden jeder Feder jeden Federsatzes 10 liegen an der Unterseite einer verstellbaren Platte 12 an, welche mittels starrer vertikaler Säulen 14 mit einer zweiten Platte 16 verbunden ist. Eine verstellbare Platte 15 befindet sich zwischen den Platten 12 und 16 und trägt eine Versteliüchraube 17, welche die Platte 15 durchsetzt und sich an der Platte 12 abstützt. Durch Drehen der Verstellschraube 17 wird die Platte 12 in ihrer Lage verändert, um die Spannung der Federn 10 entsprechend der Höheneinstellung der seismischen Auflage zu verändern. Die seismische Auflage 4 der Maschine liegt auf den oberen Platten 16 auf und ist infolgedessen gegenüber einer Berührung mit irgendeinem der angrenzenden Bauteile im wesentlichen isoliert.

Die besondere Weise, auf welche die zur Halterung dienende seismische Auflage 4 frei von weiteren mechanischen Teilen aufgelegt bzw. frei schwebend angeordnet ist, ist nicht von kritischer Bedeutung, hat sich jedoch al:; geeignet erwiesen, um die erwünschte und erforderliche nahezu vollständige Isolierung der Auflage herbeizuführen.

Die seismische Auflage 4 ist vorzugsweise eine große Masse aus Beton und Stahl. Die Oberseite besteht aus zwei Lagen einer Stahlplatte 18, welche an den von den Platten 16 abgestützten Stahlquertr.-..äern 20 befestigt sind. Die verbleibenden Zwischenräume, wie etwa dit Zwischenräume 22 zwischen den Trägern 2, sind vorzugsweise mit armiertem Beton gefüllt, um die erwünschte Gesamtmasse zu vergrößern.

Ein el ktrodynamischer Schwingungsgeber 30, der als »Schüttler« arbeitet, ist an der oberen Stahlplatte 18 der Auflage 4 mittels Bolzen befestigt und erteilt einem nicht dargestel Item Prüfmuster entlang einer horizontalen Achse A Schwingungen oder Vibrationen. Als Schwingungsgeber kann beispielsweise ein Unholz-Dikkie Gerät, Typ 106 besonders vorteilhaft verwendet werden, da der Schwingungsgeber dieser Bauform eine sinusförmige Bewegung erteilt und innerhalb weiter Frequenzbereiche leicht veränderbar ist.

Axial im Abstand vom Schwingungsgeber 30 befindet sich eine aus einem großen Stahlblock bestehende Masse 40, welche unter Bezugnahme auf die während der Testverfahren erzeugten Kräfte nachfolgend als »unendliche« Masse bezeichnet wird. Die »unendliche« Masse ist in der Tat so groß, daß sie ungeachtet der Schwingungen des Schwingungsgebers im gesamten Frequenzbereich im wesentlichen unbeweglich bleibt.

Die Masse 40 liegt auf einem flachen Stahlti-ch 42 auf. dessen Beine gemäß Darstellung an der seismischen Auflage 4 angebracht sind. Eine Verstellstange 44 mit einem Kurbelarm 46 wird verwendet, um axial den Abstand zwischen der Masse 40 und dem Schwingungsgeber 30 zu verändern.

Zwischen der Masse 40 und dem Schwingungsgeber 30 befindet sich das Prüfmuster. Das in F i g. 1 dargestellte Prüfgerät weist eine Kammer 50 auf welche das zu untersuchende Prüfmuster gegenüber äußer"<i Einflüssen abschließt. Eine Reihe manuell betätigbarer Ventile 52 sind vorgesehen, um ein Kühlmittel, wie flüssigen Stickstoff einzuleiten. Die Strömung des Kühlmittels durch jedes der Ventile kann durch Verstellung der Ventile eingestellt werden, wobei der Gesamtstrom durch ein einziges Servo-Steuerventil 54 steuerbar isi:. Vier Strahlungsheizer 56, wovon jeder in seiner Leistung einstellbar ist, sind an der Basis, an der Oberseite und an den Seitenwänden der Kami.ier 50 angebracht, urn Hitze in Richtung des Prüfmusters abzugeben. Sowohl das Erhitzen als auch das Kühlen erfolgen über eine Thermoelement-Steuerung (nicht dargestellt); die Steuerung ist mit einer ablesbaren Thermoelement-Wählscheibe 59 ausgestattet. Die Kammer 50 ist auf verstellbaren Beinen 57 abeestützt. da die

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Größe und Form der Kammer für unterschiedliche Untersuchungen verändert werden kann.

Scherprüfung

Wie vorangehend erwähnt, stellt F i g. 1 das Prüfgerät für einen Schertest dar. Eine Halterung liegt zwischen dem elektromagnetischen Schwingungsgeber 30 und der »unendlichen« Masse 40; die Einzelheiten dieser Halterung sind in F i g. 1 infolge der Abdeckung durch die Kammer 50 nicht ersichtlich. Die Fig. 2 —6 stellen jedoch die Einzelheiten einer bevorzugten Ausfühmngsform dieser Halterung dar, um ein Prüfmuster hinsichtlich Scherang zu untersuchen.

Gemäß F i g. 2 umfaßt die Halterung ein bügel- oder jochartiges Halteelement 60, das eine ringförmige Metallplatte 62 aufweist die mittels Bolzen oder auf andere 'weise am die Schwingungen übertragenden Element 32 des elektrodynamischen Schwingungsgebers 30 angebracht ist. Das Halteelement 60 ist mit zwei im Abstand zueinander befindlichen, sich axial erstrekkenden Armen 64 versehen, von welcher jeder irn wesentlichen parallel zur Achse A verläuft und mit Hilfe von Kopfschrauben 80 an der ringförmigen Platte 62 angebracht ist. Das Halteelement 60 bildet den bewegbaren Teil der Halterung und ist so angeordnet, daß jeder Arm 64 die Außenfläche je eines Paars im Abstand zueinander befindlicher visko-elastischer bzw. zäh-elastischer Prüfmuster 90 berührt.

Das stationäre Halteelement für die beiden Prüfmuster 90 besteht aus einem einzelnen, mittig angeordneten Halteelement 70, welches gemäß den F i g. 2, 3 und 4 durch einen starren Block rechtwinkligen Querschnitts gebildet wird, dessen Vorderfläche 72 mit einem Paar Ausnehmungen 73 ausgestattet ist, die zur Aufnahme eines Paars von Schraubbolzen 84 dienen. Die Schraubbolzen 84 befestigen das stationäre, mittig angeordnete Halteelement 70 an einem Bundkörper 75 mit einer mittig verlaufenden Verlängerung 77, an der ein Gewindeende 78 vorgesehen ist. Das stationäre

Haltpplpmpnt 70 wird mit Hilfp Hpr S^rhranhhnlypn Hd

und des Bundkörpers 75 an einem aus Stahl bestehenden, U-förmigen Klemmelement 76 angebracht. Das U-förmige Klemmelement 76 ist am im Durchmesser reduzierten Ende eines Blockes 71 aus Glimmerisolierung 71' mit Hilfe von Gewindebolzen 86 befestigt, die durch einen Stahlring 74 verlaufen. Der Stahlring 74 ist an einer Abstandsplatte 79 mittels Gewindebolzen 86' befestigt; zu diesem Zweck verlaufen die Gewindebolzen 86' durch de:; erweiterten Teil des Blockes aus Glimmerisolierung 71'. Eine Reihe von Schrauben 88 erstreckt sich durch eine Abstandsplatte 79 und dienen zur Befestigung der gesamten stationären Einheit an einer Endplatte 89, die mit Hilfe einer weiteren Reihe von Kopfschrauben 87 an der Masse 40 angebracht ist. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, eine starre Verbindung mit der Masse 40 als auch eine thermische und elektrische Isolierung zu schaffen.

Die oben beschriebenen Einzelheiten beziehen sich auf ein bevorzugtes Scherprüfsystem gemäß der Erfindung. Die besondere Befestigung der Prüfmuster und der verschiedenen Elemente der Halterung wurden hinsichtlich der auszuübenden Verformung und deren Natur gewählt Es handelt sich darum, eine rein sinusförmige, gleichmäßig sich verändernde Scherverformung zu erreichen, welche durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

1. Keine störenden Schwingungen m unerwünschten Richtungen.

2. Keine störenden Schwingungen mit anderen Frequenzen.

!. Relative Freiheil von jeder statischen Belastung.
4. I lomogenität im gesamten Material.

Die Wahl des HalteelcmenK 60 und (los niitli^· angeordneten Halteelements 70 wurde im Hinblick an! den ersten Gesichtspunkt vorgenommen. Das durch der; .Schwingungsgeber 30 angetriebene Halteelernent WJ erzeugt bei durch die »unendliche« Masse 40 stationär gehaltenem Halteelement 70 eine erwünschte gleich achsig verlaufende Bewegung und gestattet ein Aufheben aller infolge der Scherkräfte auftretenden R eakt ions moment c.

Die verschiedenen Bauteile, weiche die Halterung mii dem Schwingungsgeber 30 und mit der Masse M\ verbinden, sind so ausgebildet, daß unerwünschte Frequenzen infoige stehender Weiten vermieder werden können. Diese unerwünschten Frequenzen können nur bei höheren Frequenzen entstehen. Die Bauteile sind infolgedessen so kurz wie möglich gehalten. Je kürzer diese Bauteile sind desto höher wird die erforderliche Frequenz, um stehende Wellen entstehen zu lassen. Um Störschwingungen zu vermei den, wurde das Material dieser Bauteile entsprechend gewählt; vorzugsweise werden Materialien benutzt welche 1\λ hohes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht aufweisen.

Um das Prüfsystem gegenüber statischen Spannungen zu befreien, isi eine besondere Befestigung der Prüfmuster 90 zwischen dem HaWeelement 60 und dem mittigen Halteelement 70 erforderlich. Gemäß Fig. 2 ist zu ersehen, daß jedes Prüfmuster 90 zwischen einer Innenfläche 103 eines Armes des Halteelements 60 und einer der Seitenflächen 101 des Halteelements 70 angebracht ist. Gemäß den Fig. 3 und 5 sind die Zwischenflächen 103 der Arme 64 mit rechtwinkligen Ausnehmungen 91 ausgestattet. Auch das mittige Halteelement 70 ist mit vergleichbaren Ausnehmungen 93 versehen, wobei je eine an den Seitenflächen 101 vorirpsehpn ist Innprhalh ipdpr Ηργ Aiisnphmiintrpn PI und 93 befindet sich ein Blatt aus Glimmer, um das Prüfmuster thermisch gegenüber dem üblichen System zu isolieren. Jede Ausnehmung 91 und 93 weist eine kleinere Ausnehmung 95 auf, welche so bemessen ist, daß sie das Prüfmuster 90 in Anlage an Seitenflächen aufnimmt.

Die Prüfmuster 90 werden durch Haften zwischen den Flächen 101 und 103 des Halteelements 60 und des mittigen Halteelements 70 innerhalb der Ausnehmungen 95 befestigt, wobei ein kleiner oder gar kein statischer Druck angelegt wird. Entsprechend werden dünne Kupferblättchen bzw. Flächen 92 an den Flächen der Gummiprüfmuster 90 angepreßt oder ausgehärtet. Die Kupferblättchen oder Flächen 92 halten die Prüfmuster in ihrer Form, während sie unter leichtem Druck in den Ausnehmungen 95 haften. Die Haftung von Glimmer an Kupfer hält sehr gut unter Belastungen, welche normalerweise bei einer direkten Verbindung von Gummi gegenüber Glimmer nachteilige Wirkungen hätten.

Es kann erwünscht sein, ein weiteres dünnes Kupferblatt (nicht dargestellt) innerhalb der Ausnehmung 95 zu befestigen, bevor die Prüfmuster 90 mit ihren dünnen Kupferflächen 92 in den Ausnehmungen 95 haftend verbunden werden. In diesem Fall besteht eine bessere Wärmeverteilung entlang der Ausnehmung

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95, wobei cine Haftung von Kupfer zu Kupfer /wischen dem Prüfmuster 90 und tier Ausnehmung 45 vorliegt. Die Haftung von Kupfer zu Kupfer hall unter den zuvor genannten Belastungen sehr gut und erleichtert darüber hinaus ein einfacheres Abnehmen des Prüfmusters

Die vierte Bedingung, d. h., die !Erfordernis gleichför linger Spannungsverteilung im gi samten Material beding: eine genaue Wahl der (ieslalt des Prüfmusters, diese ist so gewählt. daLi nahe/u jede Biegung vermieden wird, welche sieh der Schervcrforrmirig überlagern könnte. Die Größe des Prüfmusters ist ebenfalls von Bedeutung, um einen sich bildenden 'lenipcraturgradicnten so weit wie möglich zu verringern, wahrend dennoch ein ausreichendes Materialvolumen vorhanden ist, um die zu untersuchenden I igenschaftcn bestimmen zu können, l-olgendc Abmessungen haben sich bei vielen Prüfungen als /weckmäßig erwiesen: 6,4 mm Höhe, gemessen senkrecht zur iiewegung. i2,7mm nteiie, gemessen senkrecht zur Bewegung und 25,4 mm Länge, gemessen zur Bewegung. Diese Abmessungen sind etwas willkürlich und können sich in Abhängigkeit einer Anzahl von üestimmungsgrößen verändern, beispielsweise in Abhängigkeit vom Material und seiner Verwendung und in Abhängigkeit von der Frequenz und von den beim Test zu untersuchenden !Eigenschaften. Wenn die Temperaturgradientcn bzw. das Wärmegefälle unwichtig ist, können auch andere Abmessungen getroffen werden

Die vier Bestimmungsgrößen zur genauen Charakterisierung der Prüfmuster 90 entsprechend ihrer physikalischen Eigenschaften, sind die Frequenz, die Spannungsamplitude, die Verformungsamplitude und die Phase bei jeder gegebenen Temperatur. Da der Schwingungsgeber den Prüfmustern eine sinusförmige Scherverformung erteilt, ist die sinusförmige Spannung am Muster phasenversetzt bezüglich der Formänderung. In anderen Worten, die Spannungsamplitude erreicht ein Maximum bzw. ein Minimum nach einem fixierten Zeitabstand, nachdem die Formänderung ihr Maximum oder Minimum erreicht hat. So ist die Phase als Zeitnachlai'f bzw. Zeitversetzung anzusehen, welche als Bruchteil dpr Srhu/incriinffQnprinHp hpzpirhnpt werden kann.

Spannungs-, Frequenz- und Phasenmeßgeräte sind verfügbar, um diese Messungen vorzunehmen, wenn die augenblickliche Kraft auf das mittig angeordnete Halteelement 70 und dessen Versetzung in ein proportionales elektrisches Signal umgesetzt werden, die für diese Messungen gewählten Wandler müssen so gewählt sein, daß sie diejenigen Signale soweit wie möglich ausschalten, weiche eine Verformung oder Kräfte in den Prüfgeräten und in den Wandlern selbst wiedergeben. Die Wandler sollten in der Lage sein, Kräfte und Versetzungen in allen Bereichen zu bewältigen. Die Wandler müssen gegenüber fälschender thermischer Einflußnahme abgesichert oder geschützt sein.

Gemäß Fig. 2 ist einer der Arme 64 des Halteelements 60 mit einer axialen Verlängerung ausgestattet, beispielsweise mit einer Maschinenschraube 82. Diese Maschinenschraube liegt an der bewegbaren Verlängerung eines linear variablen Differentialwandlers 105 an, der die relative Verlagerung des Halteelements 60 bezüglich des mittigen Halteelements 70 direkt messen kann. Der Differentialwandler kann natürlich auch in anderen Positionen als der in F i g. 2 dargestellten angebracht sein; in jedem Fall muß er in einer Position ausgerichtet werden, in welcher auf wirksamste und einfachste Weise die relative Verschiebung zwischen dem Halteelement und dem mittigen 1 laltcelement 70 aufnehmen kann.

Der Differential wandler erfordert eine !Eichung. Diese kann dynamisch unter Verwendung eines Fadenmikroskops erfolgen, welches auf ein zeitlich begrenzt auf einem sieh bewegenden Teil des Prüfgeräts befestigtes und durch ein Stroboskop beleuchtetes Objekt-Mikrometer gerichtet ist.

Gemäß F i g. 2 ist das Ende des Kopfes 32 des .Schwingungsgebers mit zwei Beschleunigungsmessern 107 ausgestattet. Einer dieser Beschleunigungsmesser wird als »Bezugs«-Bcschleunigungsmesser ausgewählt, während der andere die absolute Verschiebung des Halteelements 60 messen kann. Eine Kraftmeüzelle 106 ist an der stationären Seite der Vorrichtung axial rückwärts bezüglich des mittigen Halteelements 70 angebracht. Vorzugsweise ist die Kraftmrßzellc 106 so steif wie möglich ausgeführt, während die masse zwischen der Kraftmeßzelle und dem Prüfmuster so leicht wie möglich ist. Infolgedessen wird eine Kraftmeßzelle piezoelektrischer Wirkungsweise wegen ihrer Steifheit benutzt. Magnesium eignet sich als Material für das mittige I lalteelement 70.

Die Kraftmeßzelle 106 erfordert genaue Eichung und Einstellung. Ein geeignetes Verfahren besteht darin, die Kraftmeßzelle vor Einbau zu kalibrieren. Die gesamte Vorrichtung von der aus Glimmer bestehenden Isolierung 71 bis zur ringförmigen Platte 62 wird auf der seismischen Auflage 4 so aufgelegt, daß sie auf der Isolierung 71 liegt. Ein Adapter wird durch die ringförmige Platte 62 eingeführt, so daß eine Kraft von 2,27 kp auf dem mittigen Halteelement 70 verbleibt. Dieses Gewicht wird einige Male zugegeben und abgenommen, um eine geeignete Einstellung der Kraftmeßzelle 106 zu gewährleisten. Nach dieser statischen Krafteichung kann die dynamische Eichung vollzogen werden, indem man periodisch einen besonders ausgestalteten Probering anstelle eines Prüfmusters am Prüfgerät anbringt. Dieser Probering besitzt eine von vorangehenden statischen Messungen bekanntp Fpdprkonstantp. Da dip dynamischen und statischen Federkonstanten des Proberings für die Prüffrequenzen gleich sind, wenn eine bekannte dynamische Verlagerung erfolgt, wird eine bekannte dynamische Kraft durch den Probering erzeugt.

Das mittige Halteelement 70 ist nicht in direktem Kontakt mit der Kraftmeßzelle 106, sondern ist mit Hilfe eines Bundkörpers 104 von ihm getrennt. Der Bundkörper beschützt die Kraftmeßzelle 106 gegenüber Seitenbelaslungen und legt an ihm eine Vorspannung

D>e absolute Verschiebung des Halteelements 60, gemessen durch einen der Beschleunigungsmesser 107, gibt bei einem Vergleich mit der relativen Verschiebung des Haiteelements 60 bezüglich des mittigen Halteelements 70, gemessen durch den Differentialwandler, die Bewegung des mittigen Halteelements 70 wieder welche als klein und als vernachlässigbar anzusehen ist. Dies ist auf die große Masse 40 zurückzuführen. Die Masse 40 reduziert die Bewegung des mittigen Halteelements 70 unter jede Einflußgröße, weshalb sie als »unendlich« anzusehen ist.

Wenn der Schwingungsgeber 30 mit hohen Frequenzen betätigt wird, ist der Differentialwandler unwirksam. Es wurde bereits erwähnt, daß der Beschleunigungsmesser und der Differentialwandler zum Nachweis verwendet wurden, daß sich das mittige Halteele-

ment 70 nicht bewegt. Der Beschleunigungsmesser wird primär verwendet, um die Bewegungen bei Frequenzen /u messen, welche oberhalb des Arbeitsbereiches des Differentialwandlers liegen. Die Bewegungen bei höheren Frequenzen sind sehr klein, da die Eingangsleistung bei konstanter Bewegung vom Quadrat der Frequenz abhängt. Oberhalb von 100 Schwingungen pro Sekunde entw";kelt der Schwingungsgeber 30 natürlicherweise eine konstante Beschleunigung über den höheren Frequenzbereichen. Bei Verwendung in Kombination können der Beschleunigungsmesser und der Differentialwandlcr von einer sehr geringen Frequenz bis hinauf zu 10 Kilohertz verwendet werden. Die Eichung des Beschleunigungsmessers kann wie vorangehend unter Bezugnahme auf den Differentialwandler 105 erwähnt vollzogen werden.

Ein Beschleunigungsmesser wird als Bezugselement verwendet, um jede Phasenversetzung der Wandlersignale in den für die Anzeige verwendeten elektronischen Einheiten zu kompensieren. So kann beispielsweise eine Phasenablesung zwischen dem Differentialwandler 105 oder dem Beschleunigungsmesser 107 und dem Be/.ugsbeschleuntgungsmesser genommen werden, wobei das entsprechende Signal durch die zur Kraftanzeige dienende Instrumentierung ausgesendet wird. Da die Bewegung und die Beschleunigung entsprechend der Newtonschen Bewegungsgesetze phasenversetzt sind, ist jede größer oder kleiner als 180° exisitierenHe Phasendifferenz zwischen diesen Signalen als Fehler der verwendeten elektronischen Bauteile anzusehen. Dies beeinträchtigt die gesamte Phasenablesung bei Untersuchung des Prüfmusters. Die Phase der Elektronik kann durch Addition mit dem oder Subtraktion vom Gesamt-Phasenwinkel kompensiert werden. Ein periodischer Vergleich dieser Phase kann gegenüber einer stabilen Phase vorgenommen werden, wobei ein Probering innerhalb des Prüfgeräts angeordnet wird. Da die Dämpfung des Federstahles gering ist, kann der Phasennachlauf zwischen Kraft und Bewegung bei Verwendung eines Proberinges als Null angesehen werden. Infolgedessen ist jeder aufgezeigte Phasennachlauf als Anzeige für einen Fehler der Elektronik zu wenen.

Da die unter Verwendung des Prüfgeräts durchgeführten dynamischen Untersuchungen über einen weiten Temperaturbereich und unter Verwendung der Kammer 50 durchgeführt werden, ist die Temperaturisolierung nicht nur hinsichtlich der Wandler, sondern auch hinsichtlich der Wärmeleitung in Richtung zum und vorn Prüfmuster bedeutsam. So wird an bestimmten Punkten des Prüfgeräts eine Isolierung aus Glimmer vorgenommen.

Element 32 des Schwingungsgebers 30 mit Lagen 34,35 und 36 versehen. Die Lagen bestehen vorzugsweise aus Glimmer und sind durch aus Stahl bestehende Abstandsplatten 37 voneinander getrennt. Die Vorderfiäche 38 des Elements 32 ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt. Die Vorderseite bzw. Platt-; 38. die aus Stahl gefertigten Abstandsplatten 37 und die aus Glimmer bestehenden Lagen 34, 35 und 36 sind alle mittels Gewindebolzen am Schwingungsgeber angebracht und bilden das Element 32. Jeder der beiden Beschleunigungsmesser ist am Mittelteil des Schwingungsgebers befestigt. Die beschriebene Anordnung bildet eine Verbindung maximaler Festigkeit und Steifigkeit, weiche thermische und elektrische Isolierung gewährleistet.

SO

Druckprüfung

Wie vorangehend erwähnt, ist es erwünscht, die dynamischen F'gcnsehaften bei Druckprüfungen zu , ermitteln. F.s ist erwünscht, daß das Prüfgerät gemäß einer bevorzugten Ausführungsform leicht für Druckprüfungen umgerüstet werden kann, da das Prüfgerät innerhalb einer vorbestimmten Zeit zur Druckprüfung von mehr Prüfmustern geeignet sein soll als bei der

μ Scherprüfung möglich ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß für die Vorbereitung der Scherprüfmus'.er jeweils eine gewisse Zeit benötigt wird.

Gemäß den Fig. 7, 8 und 9 liegt zwischen dem Element 32 des Schwingungsgebers und der unendli-

i". dien Masse 40 eine Halterung für das Prüfmuster, welche sich von der unter Bezugnahme auf die Fig. 2 —5 beschriebenen unterscheidet. Eine Platte 8) ist mittels Gewindebolzen oder auf andere Weise an der Fläche des Elements 32 angebracht. Die Platte 81 weist

μ einen nach oben sich erstreckenden Arm 8Γ auf und wird mit Hilfe einer Abstandsscheibe 82 im Abstand vom Element 32 des Schwingungsgebers gehalten. Eine U-förmige Strebe 83 ist mittels Gewindebolzen an der Platte 81 befestigt und erstreckt sich im wesentlichen

.' i parallel zur Achse A. Wie insbesondere aus F i g. 9 zu entnehmen ist, ist die Strebe 83 so angeordnet, daß sich ihre beiden Schenkel 85 im wesentlichen parallel zur Achse A erstrecken, während das Endteil 86 die Achse A durchsetzt und senkrecht zu dieser liegt. Die sinusförmige Bewegung des Elements 32 erteilt infolgedessen der Platte 81 und der Strebe 83 gleichfalls eine sinusförmige Bewegung.

Eine stationäre Strebe 65 erstreckt sich von der Masse 40 in Richtung des Elements 32, wobei sich das i Ende 66 der Strebe quer über die Achse A und zwischen den Schenkeln 85 der bewegbaren Strebe 83 erstreckt. Die Schenkel 67 der Strebe 65 sind an einer ringförmigen Endplatte 69 befestigt, welche ihrerseits an der unendlichen Masse 40 angebracht ist. An dieser

•in Endplatte 90 ist ferner ein eine Luftfeder bildender Balgkörper 110 angebracht. Der Balgkörper 110 ist dabei an der Außenfläche des Endteils 86 dtr Strebe 83

MAlCIl. L^III /.Ul L)CICSMgUlIg UC3 1 I Ul 11IU3ICI S U.ClIClUJCd plattenförmiges Halteelement 120 ist an der Innenfläche

ι, des Endteils 86 der Strebe 83 mit Hilfe einer Maschinenschraube 112 fixiert. Eine erste piezoelektrische Kraftmeßzelle 125 ist in Form einer Scheibe zwischen dem Halteelement S20 und der Zwischenfläche des Endkörpers 86 der Strebe 83 angebracht. Ein

,o zylindrisches Prüfmuster 100 wird zwischen dem Haiteeiement 120 und einem stationären als Platte ausgebildetem Halteelpmeni 122 gehalten. Dasd stationäre Hskeelement ist -n\ eine AdHⁿterⁿl2tte 12t angeschlossen, welche einen Bundkörper 66 der

-,·■> stationären Strebe 65 berührt. Eine zweite piezoelektrische Kraftrneßzeüe 127 ist in Form einer Scheibe zwischen dem Halteelement 122 und der Adapterplatte Ϊ21 angebracht. Jede der Kraftmeßzeiien 125 und i/7 kann durch Verfahren geeicht werden, weiche den unter

w) Bezugnahme auf die Kraftmeßzelle 106 beschriebenen gleichen.

Das Prüfmuster 100 wird durch die Kraft des Balgkörpers 110 vorbelastet bzw. vorgespannt. Die Bewegung des Elements 32 ruft eine Bewegung der

t,-, Strebe 83 und eine Bewegung des Halteelements 120

rmrvnni tt-> Ar- Λ α m Dn"ifTTiitr»Dr Λ tfVl Vionr/M- Π\ϊα try

gV,gv-i I'J L^ ν-1 VJX^iIi ι ι UIiIiUJLbI · w n\,i >υι< ι>ιν 1111

Prüfmuster 100 hervorgerufenen sinusförmigen Kräfte werden entweder durch einen der beiden Wandler 125

it

oder J27 oder durch beide abgefrhk.

Zum Messen der Verlagerung wird ein Differential· wandler I !5 entlang des oberen Teils der stationären Strebe 65 befestigt. Der Differentialwandler 115 (Fig. 7) ist im wesentlichen identisch rr.it dem vorausgehend unter Bezugnahme auf die Scherprüfung beschriebenen und ist wiederum in (nicht dargestellt^ Glimmer eingelassen, wobei das Ende 116 den Kopf einer Maschinenschraube 94 berührt, die in den Arm 81' an der Oberseite der Platte 81 eingeschraubt ist.

Die Strebe 65 ist vorzugsweise mit einem Zwischenlager 108 versehen; das Lager weist einen Block aus Glimmerisolierung 118 an der Oberseite und an den Basisflachen des Endkörpers 86 der Strebe 83 auf. Abstandsplatteii 119 legen sich an jeden Block 118 aus Glimmer an. Körper 117 einer zweiten Glimmerisolicrung dienen zur Aufnahme eines Paars von Gewindebolzen 114, welche sich durch die Glimmerkörper 117, durch die Platten 119 und die Glimmerisoliening 118 erstrecken und diese Elemente an der Strebe 83 fixieren.

Eine verschiebbare Verbindung 121 ist an jedem Arm 67 der Strebe 65 angebracht. Zwischen jeder dieser Verbindungen und dem Glimmerkörper 117 befindet sich ein aus Gummi gefertigter Scherblock 123. Wenn die Vorspannung gegenüber dem Endkörper 86 der bewegbaren Strebe 83 angelegt wird, sind die verschiebbaren Verbindungen 121 entlang der Arme 67 der Strebe 65 verlagerbar, um durch diese Vorspannung bzw. Vorbelastung angelegte unerwünschte Spannungen abzuführen. Die aus Gummi bestehenden Scherblöcke 123 gewährleisten eine geradlinige Bewegung zum Zwecke reiner axialen Kompression der Prüfmuster 100.

Wie im Falle der Scherprüfung wird die Druckprüfung verwendet, um die im Gummi entstehende Kraft durch Wandler 125 und/oder 127 aufzuzeichnen und um die durch das Element 32 ausgelöste Versetzung durch den Differentialwandler 105 anzuzeigen. Die Beschleunigungsmesser 107 (in den Fig. 7-9 nicht dargestellt) befinden sich im Element 32 des Schwingungsgebers. wie vorangehend unter Bezugnahme auf die Scherprüfung erläutert wurde. Wie im Falle der Scherprüfung wird t>ei höheren Frequenzen einer der beiden Beschleunigungsmesser benutzt, um anstelle des Differentialwandlers 115 die Verlagerung zu bestimmen. Der Grund liegt darin, daß für jede dem Schwingungsgeber 30 auferlegte Frequenz und für die durch den Beschleunigungsmesser gemessene Amplitude der Beschleunigung nur eine Amplitude der Verlagerung anwendbar ist.

!n jedem der beschriebenen Prüfgerate werden Wan.Hlpr verwendet, welche Versetzun⁰ und Kraft äuf'jhicii ui'iii aufzeichnen. Wie vorangehend eiwähni läuft die Kraft der Versetzung nach; in anderen Worten. die Spannung läuft der Versetzung um einen Phasenwinkel nach, weicher bestimmbar ist, wenn die angelegte Verformung sinusförmig ist.

Die Arbeitsweise des Prüfgeräts kann am besten unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert werden. F i g. 6 stellt die elektronische Schaltung in Blockdiagramm dar. Dieses Schaltbild kann für Druck- oder Schertestuntersuchungen verwendet werden.

Das Signal von der Kraftmeßzelle, beispielsweise 106. wird mit Hilfe eines Verstärkers 22 verstärkt. Das Signal des Versetzungswandlers, falls dies der Differential- < wandler 105 ist, wird über einen Trägerverstärker und Demodulator 24 angelegt. Falls das Wandlersignal der Versetzung von einem Beschleunigungsmesser vorangehend beschriebener Art stammt, wird es über einen I .adungsvcrstärker (nicht dargestellt) entsprechend dem Ladungsverstärker 22 angelegt. Die Signale können durch ein O:;zilloskop 26 geleitet werden, wo die Spannung als Funktion der Verformung dargestellt wird. Der Phasenwinkel kann zu jedem Zeitpunkt aus dieser Anzeige bestimmt werden. Dies stellt jedoch ein umständliches Verfahren dar. Der Phasenwinkel kann auf schnellere und wirksamere Weise bestimmt werden, wenn man sich eines Phasenmessers, eines Wechselstrom-Gleiclistrom-Umsetzers und eines fünfstelligen Zählers bedient. Das Oszilloskop kann somit nach Wunsch benutzt werden, um die Kraft- und Verset /iingssignale ::u überwachen, um auf schnelle Weise die Reinheit der .Signale ünu/oder rchifunkiitnicii dbscndi-/en /ti können. Bei Verwendung des letztgenannten Verfahrens wird das Signal des Ladeverstärkers und des Trägerverstärkers und Demodulators durch Bandpaßfiltcr 21 und 21; geleitet und in einen Phasenmesser 25 eingegeben, welcher den Phasennachlauf zwischen Kraft- und Vcrsetzungssignal feststellt. Der Schalter 27 wird benutzt, um den Phasenmesser über eine Gleichstromspannimg an den Frequenzkonverter 19 und an iine Digitalanzeige eines fünfstelligen Zählers 2») anzuschließen Der Schalter 27 wird außerdem verwendet, um wahlweise das Versetzungssignal dem fünfstelligen Zähler oder das Kraftsignal dem fünfstelligen Zähler 29 unter Verwendung eines Schalters 28 einzugeben, der den Durchlauf eines der Signale durch einen Wechsels!!om-Gleichstrom-Konverter 31 ermöglicht. So kann der Zähler 29 die Kraft bzw. Spannung, die Versetzung und den Phasenwinkel für die zu untersuchenden Prüfmuster anzeigen. Der Komplexoder Gesamtbetrag ist das Verhältnis von Kraft bzw. Spannung und Versetzung.

Wie vorangehend erwähnt kann das Prüfgerät innerhalb eines weiten Temperaturbereiches c'rbeiten. Eine Kamme· 50 gemäß F i g. 1 nimmt das oder die Prüfmuster au:^:. Die Temperatur innerhalb der Kammer kann mit Hilfe eines Temperatursteuerungssystems geändert werden.

Die Kammer für die Druckuntersuchungen ist in vieler hlinsicnt identisch mit der hammer 5«. welche in Fig. 1 für die Scheruntersuchungen dargestellt .u. Der wesentliche Unterschied zwischen den Kammern liegt darin, daß die zur Druckuntersuchung benötigte Halterung ein« etwas größere Kammer erfordert.

Die bevorzugte Anlage zur Temperatursteuerung ist bei beiden Prüfgeräten unterschiedlich. Das System zur Steuerung der Temperatur innerhalb der für die Druckppjfunger. dienenden Kammer ist sehr einfach itnH ist in den Zeichnungen nicht m Einzelheiten Wicdergegcucn. Die Temperatur innerhalb der Kammer kann durch wahlweises Hindurchleiten von heißer und/oder kalter Luft verändert werden, wobei die Temperatur durch ein innerhalb der Kammer befindliches Thermoelement überwacht wird. Ein zuvor eingestelltes Steuerungsorgan nimmt die Signale dieses Thermoelements auf und bemißt nach Maßgabe dieses Signals das Einleiten von heißer, von kalter oder von heißer und kalter Luft.

Die bevorzugte Temperatursteuerung für die Scherprüfungen ist jedoch infolge der oben beschriebenen Halterung mitunter etwas komplizierter. In Fig. 10 ist eine teilweise schematische und teilweise als Blockdiagrarrirn abgefaßte Ausführungsform der bevorzugten Temperatursteuerung enthalt on.

Das Kühlen der Prüfmuster 90 wird mit flüssigem

Stickstoff durchgeführt, welcher aus einer Stickstoffquelle 130 über Leitungen 132 und 136 direkt an jedem der Arme 64 eingeleitet wird. Die Nebenleitung 134 ermöglicht es, den flüssigen Stickstoff dem mittigen Halteelement 70 ztzuführen. Sowohl das jochartige Halteelement als auch das mittige Halteelement sind gemäß Fig. 10 als innerhalb der Kammer 50 eingeschlossen dargestellt

Der Durchlauf des flüssigen Stickstoffs wird durch ein Servoventil 131 gesteuert, welches die zur Steuerung n dienenden Signale von einer Steuerungseinheit 140 über einen Verstärker 133 aufnimmt. Die Steuerungseinheit 140 empfängt Signale von einem Thermoelement 142 durch eine der Leitungen, während die andere Leitung an einen Streifenblattschreiber 150 angeschlossen ist. ι

Wärme wird mit Hilfe von Strahlungsheizern 51, 53, 55 und 56 zugeführt. Die Strahlungsheizer 51 und 56 geben die Wärme an die Arme 64 ab. während die Strahlungsheizer 53 und 55 auf die oberen und unteren Flächen des mittigen Halteelements 70 gerichtet sind. · Jeder Strahiungsheizer 51, 53, 55 und 56 ist an eine Siromversorgungseinheit 151, 153, 155 und 156 angeschlossen, um die Intensität der Heizlampen entsprechend der Signale aus Steuergeräten 140, 143, 145 verändern zu können. Das Steuergerät 145 ist als ein ·

HiL-ivii 7 B|;,ii

zweipoliger Umschalter ausgebildet, um wahlweise die Strahlungsheizer 51 und 56 steuern zu können.

ledes Steuergerät wird auf die erwünschte Prüftem peratur eingestellt und steuert das Erwärmen und/odei Kühlen mit Hilfe der Heizelemente und/oder de; Stickstoffvorrates. Außer dem Thermoelement 142 sine die Thermoelemente 144 und 146 wirksam, um Signalt an den verschiedenen Steuergeräten und an derr Streifenblattschreiber 150 anzulegen, wodurch Abwei chungen gegenüber den Temperatureinstellungen abge fühlt werden können.

Die vorangehende Beschreibung ist unter Bezugnah me auf bevorzugte Ausführungsformen eines Prüfgerät: wiedergegeben, das folgende Merkmale aufweist:

1) Es ist als eine vorteilhafte Kombination mechani scher, thermischer und elektronischer Bauteile anzusehen, welche dynamische Bedingungen unc Untersuchungen an einem Gummiprüfmuster übei einen weiten Bereich technologischer Belangt ermöglichen.

2) Das Prüfgerät besitzt bei wesentlichen Bestim mungsgrößen ein hohes Ausmaß von Genauigkei und Präzision, so bei der Versetzung, Frequenz Temperatur und Kraft bzw. Spannung.

3) Das Prüfgerät ist sehr einfach bedienbar.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Prüfgerät für dynamische Untersuchungen an viscoelastischen Prüfmustern, mit einem Fundament und einer schwimmend auf diesem gelagerten seismischen Auflage sowie mit einem elektrodynamischen Schwingungsgeber, der innerhalb eines weiten Frequenzbereichs entlang einer im wesentlichen horizontalen Achse sinusförmige Schwingungen unabhängig von der Resonanzfrequenz eines Prüfmusters auf dieses überträgt, mit einer ausreichend groß bemessenen Masse, um gegenüber den Schwingungen des Schwingungsgebers im wesentlichen unbeweglich und im Abstand vom Schwingungsgeber fluchtend längs der genannten horizontalen Achse zu verbleiben, mit einer Halterung für das Prüfmuster, deren eines Halteelement mit dem Schwingungsgeber und deren anderes Halteelement mit dem Massenkörper verbunden ist, und mindestens eine ebene Fläche besitzt, die in Anlage mit einer ersten Fläche mindestens eines Prüfmusters bringbar ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) das Halteelement (70,122) ist mit der Masse (40) über einen Bundkörper (75, 66) verbunden und besitzt mindestens eine pianare Fläche, die parallel zur Fläche des ersten beweglichen Halteeiements (60,64; 120) liegt und eine zweite Fläche mindestens eines Prüfmusters (90; 100) an einer der ersten Fläche desselben gegenüberliegenden Seite erfaßt;

b) eine an sich bekannte Ki-aftmeßeinrichtung (106; 125, 127) zu.n Abfühlen der vom Widerstand eines Prüfmustei bei der Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Halteelement (70; 122) erzeugten Kraft ist über den Bundkörper (75; 66) einerseits mit dem Halteelement (70; 122), andererseits mit der Masse (40) verbunden;

c) eine Einrichtung (107) zum Abfühlen der relativen Verschiebung ist zwischen dem ersten und zweiten Halteelement vorhanden.