DE2240319B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Werkstoffen - Google Patents

Description

der erforderliche Aufwand, indem nicht nur die Kraftwagen, sondern auch große Strecken ungestörter ebener Straßenflächen erforderlich sind. Außerdem sind die bei der Prüfung anwendbaren Geschwindigkeiten begrenzt Ein weiterer Nachteil dieser \ erfahren liegt darin, daß es zu einer Erwärmung ttes Reifens kommt, was zu einem Verschmieren des Reifenmaterials und zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen kann.

Ein wiederum Stahlkugeln betreffendes Prüfungsverfahren ist aus P. Bowden und D. Tabor »The Friction and Lubrication of Soiids«, Part II, Oxford 1964, bekannt, wobei die Kugel im Magnetfeld eines Elektromagneten aufgehängt und durch ein weiteres magnetisches Drehfsld in schnelle Rotation um eine senkrechte Achse versetzt wird.

Wenn die Kugel eine bestimmte Drehzahl erreicht hat, läßt man sie auf einen unter einem Winkel von 30° zur Senkrechten geneigten Testgegenkörper fallen, wobei die Berührungsstelle der beiden Körper in einem gewissen Abstand der Drehachse der Kugel liegt, so daß die wirksam werdenden Reibungskräfte eine Ablenkung der Kugelrücksprungebene bewirken, aus welcher dann wieder auf die Reibungskräfte geschlossen werden kann.

Bei diesem Verfahren kommt es nicht zu mehreren Rücksprüngen und eine individuelle Beurteilung der Haftreibung, der Gleitreibung und der Rollreibung unter praxisnahen Bedingungen ist nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem unter weitgehend frei und praxisnah wählbaren Bedingungen die Bestimmung der Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung sowie auch der Hysteresisverluste, der Schlaghärte und des dynamischen Elastizitätsmoduls des Werkstoffs des Testkörpers und/oder des Testgegenkörpers möglich ist.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß die relative Bewegung zwischen Testkörper und Testgegenkörper durch Drehen des Testkörpers mittels einer Antriebsvorrichtung um eine waagerechte Achse erzeugt.

Bei einem solchen Vorgehen können die Größen der Normal- und der Tangentialgeschwindigkeit des Zusammenpralls und somit auch ihr Verhältnis zueinander frei gewählt werden.

Wenn es um die Bestimmung der gesuchten Kennwerte bei einem Fahrzeugreifen geht, so ist der Testkörper zweckmäßigerweise ein Rad mit dem Reifen selbst.

Die Auswertung der Ergebnisse des vorgeschlagenen Verfahrens geschieht zweckmäßigerweise derart, daß die Haftreibungs- und Gleitreibungszahl bei vorgegebener Abwälzgeschwindigkeit für einen beliebigen Aufprall aus der Reihe der Zusammenstöße aus dem Verhältnis des Tangentialimpulses zum Normalimpuls bestimmt wird.

Die Rollreibungszahl für einen beliebigen aus der Reihe von Zusammenstößen wird bestimmt durch Multiplikation des Rollradius des Testkörpers mit dem Verhältnis des Tangentialimpulses zum Normalimpuls.

Die Hysteresisverluste im Reibungsprozeß der vorgegebenen Art und bei erforderlicher Geschwindigkeit werden anhand der Parameter der Zusammenstöße bei elastischem Stoß ermittelt.

Der dynamische Elastizitätsmodul der Werkstoffe beim Reibungsprozeß der vorgegebenen Art und bei erforderlicher Geschwindigkeit wird durch die elastische Verformung des Testkörpers anhand der Eindruckfläche und der Größthöhe des folgenden Rücksprungs ermittelt

Die Schlaghärte des Werkstoffs des Testgegenkörpers beim Reibungsprozeß vorgegebener Art und bei erforderlicher Geschwindigkeit bei elastischer Verformung des Testkörpers wird aufgrund des Energieaufwands für die plastische Verformung des Testgegenkörpers ermittelt

ίο Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens dient zweckmäßigerweise eine Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Befestigen des Testkörpers, die dessen Zusammenstoß mit der Oberfläche des Testgegenkörpers gewährleistet, wobei der Testkörper und/oder der Testgegenkörper einen Rücksprung ausführen, mit einer Antriebsvorrichtung zum Erzeugen der erforderlichen Tangentialgeschwindigkeit der Relativbewegung sowie mit einer Meßanordnung zur Ermittlung der Rücksprungparameter, wobei erfindungsgemäß die

so Antriebsvorrichtung den Testkörper während des Meßvorgangs in eine Drehbewegung um eine waagerechte Achse versetzt.

Auf die vorgeschlagene Weise kann mit besonders einfachen Mitteln und ohne größeren Aufwand eine Vielzahl von Kennwerten der Testkörper festgestellt werden. Die Prüfungen können bei praktisch unbegrenzten Gleitgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Bei der Prüfung von Fahrzeugluftreifen ist die erreichbare Gleitgeschwindigkeit im Moment des

jo Zusammenstoßens nur begrenzt durch die Festigkeit des Reifens gegenüber den beim Rotieren wirkenden Zentrifugalkräften und kann die im praktischen Fahrzeugbetrieb auftretenden Geschwindigkeiten um ein Mehrfaches übersteigen. Prüfungen von Personen-

j^r> kraftwagenrädern können z. B. bei Umfangsgeschwindigkeiten von 300 km/h und mehr vorgenommen werden.

Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Priifungsverfahrens liegt darin, daß durch Luftwiderstand praktisch keine Fehler auftreten. Systematische Fehler aufgrund der Luftreibung machen höchstens 1% der Meßwerte aus und können durch entsprechende Berichtigungen berücksichtigt werden. Bei Durchführung der Untersuchungen im Vakuum können solche Fehler völlig vermieden werden.

Bei der Prüfung eines Rades mit Fahrzeugluftreifen auf einer unverformbaren Fläche als Testgegenkörper können die Hysteresisverluste aufgrund der Änderung der Höhe der Rücksprünge beurteilt werden und

jo hieraus wiederum indirekt Rückschlüsse über die Reifenerwärmung gezogen werden. Wenn die Hysteresisverluste eines bestimmten Rades bekannt sind, kann durch Messung derselben Parameter unigekehrt über die Tragfähigkeit der als Testgegenkörper dienenden Bodenfläche sowie deren Elastizitätseigenschaften geurteilt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt

fa« F i g. 1 das Schema der Prüfung eines Testkörpers C durch freien Fall auf einen Testgegenkörper D,

Fig.2 eine Vorrichtung zur Durchführung der Prüfung, Vorderansicht,

F i g. 3 die Vorrichtung gemäß F i g. 2, Seitenansicht,

b"' Fig.4 ein zu prüfendes Rad im teilweisen Schnitt, welcher eine Vorrichtung zur Aufzeichnung der Rücksprungebene zeigt,

F i g. 5 einen Impulsreibungsmesser für eine Kugel als

Testkörper, Vorderansicht,

F i g. 6 den Impulsreibungsmesser gemäß F i g. 5, Seitenansicht

Bei der vorgeschlagenen Erfindung wird die Tangentialgeschwindigkeit der relativen Verschiebung des Testkörpers gegenüber des Testgegenkörpers beim Zusammenstoß durch die Drehung des Testkörpers um eine waagerechte Achse erzeugt. In F i g. 1 ist schematisch gezeigt, wie ein Kraftwagenrad mit Luftreifen als Testkörper C auf eine geeignete Weise in der Höhe Λβ gehalten und zum Rotieren gebracht wird, wie dies durch den Pfeil angedeutet ist Wenn eine vorgegebene Winkelgeschwindigkeit erreicht ist, wird das Rad senkrecht nach unten auf eine den Testgegenkörper D darstellende waagerechte Straßenfläche fallengelassen.

Beim Zusammenstoß wirken auf den Testkörper gleichzeitig ein senkrechter und ein tangentialer Impuls. Der Testkörper springt unter einem Winkel zur Senkrechter, zurück, wobei er den ersten Rücksprung mit der Größthöhe h\ und der Länge l\ ausführt. Je nach der vorhandenen Energie führt er noch eine Reihe von aufeinanderfolgenden Zusammenstößen aus.

Bei jedem folgenden Zusammenstoß bis zum Augenblick, in dem das reine Abwälzen anfängt, wächst oder sinkt in der gleichen Richtung die Bewegungsgeschwindigkeit des augenblicklichen Drehpunktes des Testkörpers in Abhängigkeit vom Verhältnis der jeweils gegebenen linearen Geschwindigkeit zur Winkelgeschwindigkeit des Testkörpers im Augenblick des Zusammenstoßes, wobei die Winkelgeschwindigkeit in bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Testkörpers abnimmt Auf diese Weise geht mit zunehmender Anzahl der Zusammenstöße der Wechselwirkungsprozeß vom Gleiten bei von Aufprall zu Aufprall zunehmender Abwälzgeschwindigkeit zur horizontalen Bewegungskomponente und weiterhin zum Abwälzen mit immer geringer werdender Geschwindigkeit über. Durch entsprechende Wahl der Tangentialgeschwindigkeit der relativen Bewegung und der Abwurfhöhe des Testkörpers vor dem ersten Aufprall können die entsprechenden Parameter des Zusammenstoßes bei einem beliebigen folgenden Aufprall erhalten werden.

Die Parameter der Zusammenstöße werden beispielsweise durch Messen der Parameter der Rücksprungbahn, insbesondere des Abstands 1 zwischen den aufeinanderfolgenden Zusammenstößen und der Größthöhe Λ dieser Rücksprünge, aufgezeichnet

Für den ersten Aufprall kann das Verhältnis des Tangential- zum Senkrechtimpuls aus der Forme!

_/= 1 L^

4 /i, + I hi ■ /I₀

erhalten werden, wobei bedeuten

/ι — die RUcksprunglänge nach dem ersten Aufprall,
Ai — die Größthöhe des Rücksprungs nach dem ersten

Aufprall,
Ao- die Fallhöhe.

Bei einem beliebigen /'-ten Aufprall ist das Verhältnis des Tangential- zum Senkrechtimpuls bei konstantem Elastizitätsmodul gleich

~i - /,_, fti,

■)·

wobei bedeuten

Ii — die Rücksprunglänge nach dem /'-ten Aufprall,

hi — die Größthöhe des Rücksprungs nach dem ;-ter Aufprall,

A_i — die Rücksprunglänge nach dem Aufprall, wel-ϊ eher dem /-ten Aufprall vorausgeht,

Λ,-ι — die Größthöhe des Rücksprungs nach derr Aufprall, welcher dem /-ten Aufprall vorausgeht.

lu Diese Werte sind leicht zu finden, wenn die Rücksprungbahn aufgezeichnet wird. Zum Prüfen von Rädern können Aufzeichnungsvorrichtungen vorgeschlagen werden, die längs der Raddrehachse einer Farbflüssigkeitsstrahl erzeugen, der die Flugbahn aul einem Koordinatenblatt aufzeichnet, welches neben der und parallel zur Ebene der Radrücksprünge aufgestellt ist. Außer einer solchen Hydraulikvorrichtung können zum Festlegen der Bahn pneumatische, mechanische optische, fotografische, elektrische und andersartige Vorrichtungen verwendet werden, die am Rad angebracht und mit ihm verbunden oder ortsfest aufgestellt sein können. Das Aufzeichnen der Flugbahn ermöglich es, zum Bestimmen der Haftreibungszahlen außer dei Länge und Höhe auch andere Parameter der Rück-Sprungbahn zu benutzen.

Das Bestimmen der Größthöhe der Rücksprünge ist erforderlich, um die Flugdauer des Testkörpers zwischen den Zusammenstößen und die Senkrechtkomponente der Rücksprunggeschwindigkeit zu errechnen so Wenn jedoch statt dessen die Zeitintervalle zwischen den aufeinanderfolgenden Zusammenstößen gemessen werden, so muß von den Parametern der Rücksprungbahn nur die Länge gemessen werden.

Die Wechselwirkung zwischen den Testkörpern beim Zusammenstoß wird durch Vergleich der Ziffernwerte der festzulegenden Reibungszahlen gemäß der Theorie der beim Stoß auftretenden Reibung bestimmt

Zu den Vorteilen des vorgeschlagenen Verfahrens zum Bestimmen der Reibungs- und Festigkeitseigenschäften eines Körpers gehört die kurze Zeitspanne, während der sich die Versuchskörper berühren. Im Fall der Prüfung von Fahrzeugreifen kommt es nicht zu einer Erwärmung derselben, so daß die Fehler vermindert werden, welche durch die unterschiedliche Temperatur der Körper hervorgerufen werden. Der Bereich der praktisch auftretenden Temperaturen des Testkörpers und/oder des Testgegenkörpers ist nicht eingeschränkt.

Zur Bestimmung der Schlaghärte und des dynamisehen Elastizitätsmoduls unter der Wirkung einer bestimmten Reibungsart bei einer bestimmten Geschwindigkeit dient als Testkörper eine Kugel.

Die Schlaghärte wird bei elastischer Verformung aufgrund des Energieaufwands für die plastische Verformung des Testkörpers als das Verhältnis der Arbeit für das senkrechte Eindrücken der Kugel zum Volumen des teilweise rückverformten Eindrucks am Testgegenkörper bestimmt

Zum Bestimmen des dynamischen Elastizitätsmoduls ist das Zurückspringen der Kugel vom Testgegenkörper heranzuziehen.

Aufgrund des Herstnerischen Gesetzes ist der elastische Teil der Eindruckänderung den Elastizitätsgesetzen auch beim Vorhandensein einer plastischen h5 Verformung unterworfen. Die elastische Rückverformung kann nach den Formeln von H. Hertz beim Eindringen eines kugelförmigen Körpers bei plastischen Verformungen errechnet werden. Nachfolgend soll

gezeigt werden, auf welche Weise der dynamische normale Elastizitätsmodul während eines Reibungsprozesses, bei dem es zu elastisch-plastischen Wechselwirkungen kommt und die Kugel sich nur elastisch verformt, bestimmt werden kann.

Die Bestimmung des Elastizitätsmoduls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders wichtig für Polymere, Gummi, Kompositions- und andere Werkstoffe, bei denen die Elastizitätseigenschaften weitgehend von der Belastungsdauer abhängen oder deren Zusammensetzung aus vielen Komponenten das Bestimmen der angeführten Eigenschaften erfordert. Wenn der Testkörper einen Überzug aufweist, oder sich auf seiner Oberfläche ein Film, eine Grenzschicht od. dgl. befindet, so werden die dynamischen Gesamteigenschaften bestimmt.

D. T a b ο r hat festgestellt (siehe D. T a b ο r, »The Hardness of Metals«, Oxford, At the Clarendon Press, 1951), daß die Elastizitätsenergie, die infolge des Zusammenstoßes in den Oberflächen aufgespeichert wird, gleich

10

C₀

I?

ist, wobei bedeuten:

E₂

10

ι -A

Wenn auf diese Weise der Wert

ι -λ!

für den Kugelwerkstoff bestimmt ist, kann dieselbe Größe für den Testgegenkörperwerkstoff gefunden werden:

10 3

mg h.

-l'l

= L.

Da die Poissonsche Zahl ein relativer Wert ist, ändert sie sich wenig in Abhängigkeit von der Verformungsgeschwindigkeit. Außerdem ist sie immer kleiner als V2 und wird in der zweiten Potenz eingesetzt. Dies erlaubt es, beim Bestimmen des dynamischen Elastizitätsmoduls

m — Kugelmasse,

g — Erdbeschleunigung,

Pmax — maximale Aufprallkraft am Ende der

Kugeleindringung,

ro — Radius des rückverformten Eindrucks,

E\ und Ei — normale Elastizitätsmodule,
μι und μ.2 — Poissonsche Zahlen des Werkstoffs von

Testgegenkörper und Kugel.

Wenn P_max gleich nfioH\ genommen wird, so kann die von D. Tabor angegebene Gleichung folgendermaßen geschrieben werden:

wobei H₁ — Schlaghärte bedeutet.

Wenn der Testgegenkörper und die Kugel aus gleichen Werkstoffen bestehen, erhalten wir

den aus statischen Prüfungen bekannten Wert μ zu verwenden. Aus dem letzten Ausdruck kann jetzt der dynamische normale Elastizitätsmodul des Testgegenkörperwerkstoffs beim Vorhandensein von Reibung bestimmt werden:

Der Gültigkeitsbereich der angeführten Formeln, welche darauf beruhen, daß der Eindruck die Form eines sphärischen Segments besitzt, wird beim Errechnen des dynamischen Elastizitätsmoduls bei Vorhandensein der Reibung durch die Differenz der Eindruckdurchmesser beim Messen längs und quer zur Kugelfortbewegungsrichtung begrenzt, wobei sich diese Differenz in Abhängigkeit von der relativen Fortbewegungsgeschwindigkeit des Testkörpers und des Testgegenkörpers ändern kann.

Beim Durchführen von Prüfungen im Gebiet der elastisch-plastischen Wechselwirkung auf dem noch zu beschreibenden Impulsreibungsmesser wird die Bedingung einer zulässigen Durchmesserdifferenz in allen Fällen beim ersten Aufprall eingehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Reibungs- und Festigkeitseigenschaften von Werkstoffen kann mit Hilfe von unterschiedlich gebauten Vorrichtungen durchgeführt werden. In F i g. 2, 3 und 4 ist eine einfache Vorrichtung zum Untersuchen der Wechselwirkung zwischen einem Fahrzeugrad und einer Fahrbahnoberfläche abgebildet.

Die Vorrichtung besitzt zwei Stützen 1, an denen mit Hilfe von Kragarmen 2 ein Querträger 3 mit Aufhängungen befestigt ist. Letztere bestehen aus federnden Zugstäben 4 mit an diesen angebrachten Haltern 5 für die Radachse. Jeder Halter stellt eine in der Senkrechtebene in zwei Hälften geteilte Buchse dar. Zur Befestigung der Radachse werden die Buchsenhälften durch Riegel 6 miteinander verbunden, wie dies aus Fig.3 ersichtlich ist, und bilden in dieser Lage fast vollkommen geschlossene Buchsen, deren Innendurchmesser gleich dem Radachsendurchmesser ist.

Die Schenkel jedes Zugstabs 4 sind derart federnd vorgespannt, daß sie sich beim Abnehmen des Riegels 6 auseinanderbewegen, so daß die Buchsenhälften die Radachse freigeben. Zur Erleichterung des Aufsetzens des Riegels können die Schenkel jedes Zugstabs am unteren Ende zueinander hin gebogen sein.

Die Kragarme 2 sind so gebaut, daß der Querträger 3 längs den Stützen 1 verschoben werden kann. Letztere besitzen eine Skala, um die erforderliche Fallhöhe des Rads einstellen zu können.

Durch Ändern der Fallhöhe des Rads kann die Größe der senkrechten Gegenkraft beim Zusammenstoß des Reifens mit der Fahrbahnoberfläche gewählt und eine Berührungsfläche des Reifens vorbestimmt werden, die realistischen Betriebsbedingungen des Reifens entspricht.

Auf die Radachse 7 ist mit Hilfe von zwei Wälzlagern 8 eine Nabe 9 mit an ihr befestigter Scheibe 10 und zu prüfendem Reifen 11 aufgesetzt. Die Lager werden mittels Muttern 12 festgelegt. Arretierscheiben 13 verhindern ein Lösen dieser Muttern. Auf der Außenseite sind die Lager durch Kappen 14 abgedeckt.

Auf der Nabe ist mittels Schrauben 16 ein Schaufelrad 15 befestigt, welches durch Beaufschlagung mit einem Druckluftstrahl den Reifen bis zum Erreichen der

erforderlichen Winkelgeschwindigkeit beschleunigt. Das Rad kann auch durch ein Reibrad, das seinerseits z. B. elektrisch angetrieben ist, beschleunigt werden. Die Drehzahl wird mit Hilfe eines Tachometers gemessen, welcher an die Protektorlauffläche oder an die Reifenseitenfläche in einem bestimmten Abstand von der Radmitte angedrückt wird.

Die zum Prüfen bestimmten Räder werden statisch und dynamisch ausgewuchtet.

Ein Stift 17 verhindert ein Drehen und Verschieben der Radachse im Halter.

Innerhalb der Achse befindet sich die Vorrichtung zum Aufzeichnen der Radrücksprungbahn. Sie besteht aus einem Zylinder 18, dessen eine Stirnfläche eine in der Achse liegende kalibrierte Bohrung mit kleinem Durchmesser besitzt, aus einem Kolben 19, einer Feder 20, einer Kolbenstange 21, einem Sperrstift 22 und einer am Querträger 3 befestigten Zugstange 23.

Vor dem Einsetzen der Bahnaufzeichnungsvorrichtung ins Rad wird der Kolben weitmöglichst im Zylinder 18 zurückgezogen und der vor dem Kolben gelegene Zylinderraum über die Bohrung in der Stirnfläche mit einer Farbflüssigkeit gefüllt. Hierbei ist die Feder 20 zusammengedrückt und der Kolben wird in dieser Lage durch den Sperrstift 22 festgehalten, welcher durch die Kolbenstange 21 gesteckt ist. Der mit Farbflüssigkeit gefüllte Zylinder wird in die Radachse eingesetzt und mittels einer Mutter 24 angepreßt.

Die Kraft der Feder 20 ist so gewählt, daß der durch sie innerhalb des Zylinders erzeugte Druck der Flüssigkeit deren Ausströmen mit einem kräftigen Strahl bewirkt. Der Rauminhalt des Zylinders ist ausreichend, um die gesamte Radrücksprungbahn aufzuzeichnen. Bei einem Spritzdüsendurchmesser von 0,2 bis 0,3 mm genügt ein Rauminhalt des Zylinders von ca. 30 ml.

Nachdem das Rad in schnelle Drehung versetzt ist und die erforderliche Winkelgeschwindigkeit erreicht hat, werden die Zugstäbe von Hand paarweise etwas zusammengedrückt, so daß die Riegel 6 locker werden und die Zugstäbe freigeben, so daß sie sich voneinander entfernen können. Unter dem Einfluß des Radgewichts und der Federwirkung der Zugstäbe werden die Halterhälften 5 auseinanderbewegt und das Rad fällt zusammen mit seiner Achse auf die Fahrbahn.

Beim Fallen des Rads zieht die Zugstange 23 den Sperrstift 22 heraus, der Kolben 19 wird frei und spritzt unter der Wirkung der Feder 20 die Farbflüssigkeit durch die stirnseitige Bohrung.

Der in Richtung der Achse des Rades ausströmende Flüssigkeitsstrahl zeichnet auf Koordinatenblättern 25, welche an Böcken 26 befestigt sind, die Bahn beim Fallen und Rückspringen des Rads auf. Die infolge der Raddrehung vorhandene Kreiselwirkung verhindert das Schrägstellen des Rads beim Fallen und Rückspringen desselben.

Mit der beschriebenen Vorrichtung können nicht nur luftbereifte Räder und deren Wechselwirkung mit einer Straßendecke geprüft werden. Sie dient auch zum Studium der Reibung bei der Wechselwirkung von unverformbaren Rädern mit Fahrbahnen, die eine geringe Tragfähigkeit haben, wie z. B. mit Sumpf- und Sandböden, mit Schnee bedeckten Flächen u. dgl. Die Radarten, welche sich beim Zusammenstoß nicht unter Speicherung eines Vorrats an potentieller Energie elastisch verformen, die zum Erzeugen einer entsprechenden senkrechten RücksprunggeschwindigkeitskotTiDonente verbraucht wird, sind mit eingebauten Vorrichtungen zu versehen, welche ihren Rücksprung gewährleisten.

Das Auftreten eines Rücksprungs vereinfacht das Durchführen der Prüfungen. Es können jedoch die Reibungseigenschaften der Fahrbahn und des Rads auch beurteilt werden, wenn die senkrechte Rücksprunggeschwindigkeitskomponente gleich Null ist. Hierbei können Schlußfolgerungen über die Reibungs- und Haftreibungszahl aufgrund der Größe der Radbeschleunigung in Fortbewegungsrichtung gezogen werden.

Zum Prüfen des Werkstoffs von kleinen Testkörpern wird ein Tischgerät verwendet, welches Impulsreibungsmesser genannt wird. Mit diesem Gerät können als Testkörper Kugeln und Scheiben geprüft werden. Außerdem können mit ihm der Drehkörperform nahekommende Erzeugnisse, beispielsweise Rädermodelle, geprüft werden.

Nachfolgend wird ein zur Prüfung von Kugeln dienendes Gerät beschrieben. Andere Arten von Testkörpern werden analog verwendet.

Der in F i g. 5 und 6 abgebildete Impulsreibungsmesser besteht aus einer Grundplatte, einem die Kugel N in schnelle Drehung versetzenden und sie dann abwerfenden Werk sowie aus einer Vorrichtung zum Messen der Länge und der Größthöhe des Kugelrücksprungs.

Auf der massiven Grundplatte 27, deren Lage durch justierbare Stützschrauben 55 einreguliert werden kann, erhebt sich eine Säule 28, an der die weiteren Baugruppen angebracht sind. Auf der Oberfläche der Grundplatte wird der Testgegenkörper befestigt. Er kann direkt an der Grundplatte mit Hilfe von Klemmen befestigt werden.

Bei Verwendung eines Standard-Testgegenkörpers 29 zum Durchführen der Prüfungen wird dieser mittels drei gleichmäßig auf dem Umfang verteilter Halter 31 befestigt. Ein solcher Halter braucht wegen seiner eigenen ausreichenden Masse nicht an der Grundplatte 27 befestigt zu werden. Er kann deshalb nach jedem Aufprall der Kugel verschoben werden, um einen genügenden Abstand zwischen den Eindrücken zu erhalten und um den Testgegenkörper nicht zu schwächen, wie dies bei seiner direkten Befestigung an der Gerätegrundplatte notwendig wäre.

Das beschriebene Gerät kann eingerichtet sein zur Durchführung der Prüfungen bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie in gasförmigen Medien. Im letzteren Fall wird durch einen nicht gezeigten Deckel ein geschlossener Raum zustande gebracht. Beim Erwärmen und Abkühlen des Testgegenkörpers wird das Gerät auf einen wärmedämmenden Untersatz gestellt. Am Deckel sind Heizelemente angebracht. Der Deckel wird für den Augenblick, in dem die Kugel aufprallt, entfernt. Beim Durchführen von Prüfungen bei niedrigen Temperaturen wird in den Halter 31 des Testgegenkörpers Kühlflüssigkeit, ζ. Β. flüssiger Stickstoff, eingegossen. Diese Prüfungen werden ebenso wie bei hohen Temperaturen durchgeführt.

Die Temperaturen werden mit Hilfe eines Thermoelements gemessen, welches am Testgegenkörper 29 mit Hilfe einer der Klemmen 30 befestigt ist. Wenn der Testgegenkörper 29 in einem gasförmigen Medium erwärmt werden muß, wird über einen Stutzen im Boden des Halters 31 das Gas in die Heizvorrichtung unter geringem Überdruck eingeleitet.

Ein Standard-Testgegenkörper hat eine zylindrische Form mit 58 mm Durchmesser und 35 mm Höhe. Die stirnseitige Arbeitsfläche besitzt einen Absatz zum Befestigen mittels der Klemmen. Das Gerät ist so

gebaut, daß Testgegenkörper mit einem maximalen Arbeitsflächenmaß von bis zu 140 mm verwendet werden können. Zu diesem Zweck sind in der Platte eine Reihe von öffnungen vorgesehen.

Die wichtigste an die Testgegenkörper gestellte Forderung besteht darin, daß ihre Arbeitsfläche parallel zu ihrer Auflagefläche ist und daß die Abmessungen, insbesondere die Höhe, ausreichend groß sind, so daß sich eine ausreichende Masse ergibt.

Beim Durchführen von Prüfungen wird üblicherweise eine polierte Arbeitsfläche verwendet. Wenn die Aufgabe gestellt wird, auch den Einfluß von Oberflächenrauhigkeiten auf die Reibungseigenschaften zu berücksichtigen, können andere Güteklassen der Arbeitsfläche verwendet werden. Zum Bestimmen der Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe werden der Durchmesser des Eindrucks und seine Tiefe durch Aufzeichnen der Profilkurve mit Hilfe eines Profilmessers (Profilschreibers) gemessen. Die Meßgenauigkeit ist um so geringer, je niedriger die Oberflächengüte ist.

An der Säule 28 ist ein oberer Kragarm 32 mit an ihm befestigter Platte 33 angebracht. Auf letzterer sind Kragarme 34 und 35 aufgesetzt, die die Vorrichtung tragen, durch welche die Kugel in schnelle Drehung versetzt und herabgeworfen wird. Ebenfalls an der Säule sind ein mittlerer Kragarm 36 mit der Vorrichtung zum Messen der Kugelrücksprunghöhe und ein unterer Kragarm 37 mit der Vorrichtung zum Messen der Kugelrücksprunglänge befestigt. Alle drei Kragarme können längs der Säule 28, an der eine Skala befestigt ist, verschoben werden.

Die Vorrichtung, durch welche die Kugel in schnelle Drehung versetzt und herabgeworfen wird, hat einen Gleichstrommotor 38, der an zwei flachparallelen Federn 39 aufgehängt ist, die im Kragarm 35 befestigt sind. Außerdem hat die Vorrichtung einen Elektromagneten 40 und einen feststehenden Anschlag 41, der am Kragarm 34 angebracht ist.

Die zu prüfende Kugel wird zwischen der Ausgangswelle des Motors und dem feststehenden Anschlag 41, an dessen Ende sich ein Kunststoff-Endstück 42 mit flacher Stirnfläche befindet, eingeklemmt. An der Stirnfläche der Motorwelle befindet sich eine kegelige Vertiefung. Der Motor selbst ist gut ausgewuchtet.

Die Anpreßkraft der Kugel an den feststehenden Anschlag wird so gewählt, daß die Kugel nicht auf der Welle rutscht. Diese Kraft wird durch eine entsprechende Durchbiegung der Federn 39 beim Einsetzen der Kugel erzeugt Die Federdurchbiegung wird durch Verschieben des feststehenden Anschlags 41 in der Bohrung des Kragarms 34 eingestellt. Hiernach wird der Anschlag mit Hilfe der Schraube 43 befestigt.

Durch entsprechende Befestigung der Kragarme 34 und 35 und die entsprechende Stellung des feststehenden Anschlags 41 erfolgt das Einrichten für Kugeln mit unterschiedlichem Durchmesser (von 5 bis 16 mm) und das Einstellen der Kugelfallachse.

Der Motor erteilt der Kugel eine bestimmte Drehzahl, die im Bereich bis 15 000 U/min liegt. Die Drehzahl wird mittels eines Tachometers gemessen. Zum Eichen des Tachometers wird eine stroboskopische Vorrichtung verwendet.

An der Stirnseite des Motors ist eine Stahlscheibe 44 befestigt. Beim Einschalten des Elektromagneten wird der Motor an diese herangezogen, wobei die in schnelle Drehung versetzte Kugel ohne Änderung der Winkelgeschwindigkeit der Motordrehung herabfällt. Die zwei flachparallelen Federn 39 gewährleisten das Verschieben des Motors parallel zu seiner Anfangsstellung und verhindern, daß der Kugel eine Anfangsbeschleunigung erteilt wird.

Durch Verschieben des Kragarms 32 längs der Säule 28 wird die erforderliche Abwurfhöhe eingestellt, die im Bereich von 0 bis 1000 mm geändert werden kann.

Zum Messen der Kugelrücksprunglänge wird ein Tisch verwendet, der aus einer Platte 45 aus organischem Glas besteht. Auf dieser Platte ist mit Hilfe von Klammern 46 ein Meßpapier 47 befestigt, auf dem ein Kohlepapier 48 liegt. Die Platte 45 ist auf den Kragarm 37 gelegt, wobei durch Verschieben desselben längs der Säule 28 die Tischhöhe in bezug auf die Höhenlage der Arbeitsfläche des Testgegenkörpers 29 eingestellt wird. Der Kragarm 37 wird mit Hilfe einer Flügelmutter 49 befestigt.

Auf der Platte 45 befindet sich ein Gleitstück 50, welches zum Ablesen der Kugelrücksprunglänge unter Verwendung einer entsprechenden Teilung auf der Platte 45 dient.

Die Kugel /V fällt nach dem Zusammenstoß mit dem Testgegenkörper auf den beschriebenen Tisch. Nach Entfernen des Kohlepapiers wird auf dem Meßpapier die Rücksprunglänge als der Abstand zwischen dem Eindruck auf dem Testgegenkörper und dem Abdruck auf dem Meßpapier gemessen.

Beim Übergang von einem Testgegenkörperwerkstoff zu einem anderen kann die Rücksprunglänge sich wesem'ich ändern. Durch entsprechendes Verschieben der Platte 45 längs des Kragarms 37 wird der Abstand zwischen dem Tisch und dem Testgegenkörper in der Waagerechtebene geändert.

Die Vorrichtung zum Messen der Rücksprunghöhe besteht aus einem Kragarm 51 mit einer an ihm angebrachten Lamelle 52, die ähnlich der beschriebenen Weise Meß- und Kohlepapier trägt. Die Lamelle 52 wird mit Hilfe einer Führung 53 und einer Mutter 54 in einem Abstand befestigt, welcher gleich der halben Kugelrücksprunglänge plus dem Kugelhalbmesser ist. Auf diese Weise kann die Größthöhe des Rücksprungs gemessen werden. Nach dem Aufprallen der Kugel auf dem Testgegenkörper und dem darauffolgenden Zurückspringen derselben läßt sie am Meßpapier einen Abdruck zurück, der dazu dient, mit Hilfe eines Parallelreißers die Rücksprunghöhe zu bestimmen.

Der Kragarm 36 kann ebenfalls längs der Säule 28 beim Ändern der Kugelabwurfhöhe verschoben werden.

Das Messen der Rücksprunglänge und -höhe wird anhand von folgenden Beispielen beschrieben:

Zunächst sei die Prüfung der Wechselwirkung zwischen Rädern und Fahrbahn mittels der Vorrichtung nach F i g. 2 bis 4 betrachtet. Es seien die Gleitreibungszahlen von luftbereiften Rädern auf zwei verschiedenen Straßendecken A und B zu vergleichen, um den Haftungseffekt bei im übrigen gleichen Bedingungen beurteilen zu können, was für die Wahl des Typs einer herzustellenden Straßendecke ausschlaggebend sein kann. Es sei angenommen, daß früher keiner dieser Typen industriell hergestellt wurde. Für diesen Zweck ist die analysierende Betrachtung der Parameter eines Zusammenstoßes ausreichend.

Aus dem Material der beiden zu vergleichenden Straßendecken wird je ein ungefähr 1 χ 1 χ 0,1 m großer Block für ein Personenkraftwagenrad und ein elwas größerer für die Prüfung mit einem Lastkraftwagenrad hergestellt. Die anfänglichen Gleitgeschwindigkeiten des Rads sollen gleich und seine Fallhöhe unveränder-

lieh sein. Die Abmessungen der Blöcke werden so gewählt, daß ihre Masse ausreichend ist, damit sie während des Zusammenstoßes unbeweglich bleiben.

Beim Verwenden von unverformbaren Straßendekken ist die Radrücksprunghöhe auf den Straßendecken A und B praktisch gleich und es muß nur die Rücksprunglänge ohne Messen derselben verglichen werden, da die Stelle des Zusammenstoßes des Rads mit der Oberfläche nach dem Rücksprung auf dieser Fläche dank des Rutschens des Rads gut sichtbar ist. Zu diesem Zweck müssen in der Vorrichtung nur die Straßendekkentestkörper gewechselt werden. Die Straßendecke, bei der die Rücksprungweite des Rads größer ist, besitzt die größere Haftreibungszahl. Der Versuch wird, um Zufallsfehler zu vermeiden, vielfach wiederholt.

Das folgende Beispiel betrifft die Verwendung des Impulsreibungsmessers gemäß Fig.5 und 6 zur Demonstration von Reibungserscheinungen, z. B. in Lehranstalten.

Das Demonstrieren der Reibungserscheinung beruht auf dem Vergleich des Aufpralls einer Kugel oder eines anderen Drehkörpers auf einen feststehenden Gegenstand, wenn Reibung und wenn keine Reibung vorhanden ist. Am anschaulichsten kann Reibung bein" senkrechten Aufprall demonstriert werden.

In einem ersten Versuch wird der reibungslose Aufprall dadurch demonstriert, daß die sich nichl drehende Kugel frei auf die Fläche des Testgegenkörpers fallen gelassen wird. Von dieser Fläche springt die Kugel senkrecht zurück.

In einem zweiten Versuch wird der Aufprall mit Reibung demonstriert, bei dem die Kugel mit einer

ι» bestimmten Winkelgeschwindigkeit um ihre Waagerechtachse senkrecht auf die Fläche des Testgegenkörpers fallengelassen wird. Von dieser Fläche springt die Kugel infolge des Einflusses der Reibungskräfte unter einem Winkel zur Senkrechten zurück. Die Rücksprunglänge wird geringer, wenn auf die geprüfte Fläche eine Schmierschicht oder Wasser aufgebracht wird, was von der Verminderung der Reibungszahl zeugt

Das reibungserzeugende Werkstoffpaar ist so zu wählen, daß hohe Reibungszahlen bei elastischem Zusammenstoß erhalten werden. Es kann z. B. eine Stahlkugel auf eine flache Gummiplatte abgeworfen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Werkstoffen durch Aufprallenlassen eines Testkörpers auf die waagerechte Oberfläche eines Testgegenkörpers bei vorgegebener Tangentialgeschwindigkeit ihrer relativen Bewegung, wobei man den Testkörper und/oder den Testgegenkörper einen oder mehrere aufeinanderfolgende Rücksprünge ausführen läßt und die Parameter der Zusammenstöße bei den Rücksprüngen mißt, um die Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Bewegung zwischen Testkörper und Testgegenkörper durch Drehen des Testkörpers mittels einer Antriebsvorrichtung um eine waagerechte Achse erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Rad (E) als Testkörper.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftreibungs- und Gleitreibungszahl bei vorgegebener Abwälzgeschwindigkeit für einen beliebigen Aufprall aus der Reihe der Zusammenstöße aus dem Verhältnis des Tangentialimpulses zum Normalimpuls bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollreibungszahl für einen beliebigen aus der Reihe von Zusammenstößen bestimmt wird durch Multiplikation des Rollradius so des Testkörpers mit dem Verhältnis des Tangentialimpulses zum Normalimpuls.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hysteresisverluste im Reibungsprozeß der vorgegebenen Art und bei erforderlicher r> Geschindigkeit anhand der Parameter der Zusammenstöße bei elastischem Stoß ermittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Elastizitätsmodul der Werkstoffe beim Reibungsprozeß der vorgegebenen Art und bei erforderlicher Geschwindigkeit durch die elastische Verformung des Testkörpers anhand der Eindruckfläche und der Größthöhe des folgenden Rücksprungs ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- v> zeichnet, daß die Schlaghärte des Werkstoffs des Testgegenkörpers beim Reibungsprozeß vorgegebener Art und bei erforderlicher Geschwindigkeit bei elastischer Verformung des Testkörpers aufgrund des Energieaufwands für die plastische Verformung des Testgegenkörpers ermittelt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Einrichtung zum Befestigen des Testkörpers, die dessen Zusammenstoß mit der Oberfläche des Testgegenkörpers gewährleistet, wobei der Testkörper und/oder der Testgegenkörper einen Rücksprung ausführen, einer Antriebsvorrichtung zum Erzeugen der erforderlichen Tangentialgeschwindigkeit der Relativbewegung und einer Meßanord- to nung zur Ermittlung der Rücksprungparameter, gekennzeichnet durch eine Antriebsvorrichtung, die den Testkörper während des Meßvorgangs in eine Drehbewegung um eine waagerechte Achse versetzt. b5

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Werkstoffen durch Aufprallenlassen eines Testkörpers auf die waagerechte Oberfläche eines Testgegenkörpers bei vorgegebener Tangentialgeschwindigkeit ihrer relativen Bewegung, wobei man den Testkörper und/oder den Testgegenkörper einen oder mehrere aufeinanderfolgende Rücksprünge ausführen läßt und die Parameter der Zusammenstöße bei den Rücksprüngen mißt, um die Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung zu bestimmen, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der deutschen Patentschrift 3 87 094 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Härte einer Kugel dadurch geprüft wird, daß diese als Testkörper unter einem von der Normalen abweichenden Winkel auf eine ebene Fläche als Testgegenkörper fallengelassen wird und die Weite eines Rücksprungs gemessen wird. Das schiefe Auftreffen der Kugel auf den Testgegenkörper wird dadurch erzielt, daß entweder die Kugel zwar senkrecht fallengelassen wird, dabei aber die Ebene des Testgegenkörpers geneigt ist, oder daß die Kugel schräg auf eine waagerechte Testgegenkörperebene fallengelassen wird. Bei diesem Verfahren geht es nicht um die Bestimmung von Reibungskoeffizienten und es wäre hierzu auch ungeeignet

Ähnliches gilt für die aus der deutschen Patentschrift 89 231 und der deutschen Patentschrift 7 40 573 bekannten Verfahren, bei denen es in prinzipiell gleichartiger Weise um die Prüfung der Härte von Kugellagerkugeln geht. Auch das aus der deutschen Patentschrift 3 04 098 bekannte Verfahren ist ähnlich, wobei hier die zu prüfende Kugel mehrere Rücksprünge ausführt Die genannten Verfahren unterscheiden sich lediglich dadurch, wie die den Anforderungen nicht entsprechenden Kugeln festgestellt bzw. ausgesondert werden.

Aus der deutschen Patentschrift 1187 394 ist schließlich noch ein Rücksprung-Härteprüfgerät bekannt, bei dem beim Aufprall keine Tangentialgeschwindigkeit zwischen Testkörper und Testgegenkörper vorhanden ist, sondern die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufschlägen gemessen wird.

Alle die vorstehend genannten Verfahren dienen zur Prüfung der Härte bzw. Elastizität der Testkörper, wobei die Horizontalkomponente der Bewegung des Rücksprungs entweder dadurch zustande kommt, daß der Testkörper bereits schon vor dem ersten Aufprall diese Bewegungskomponente hat, oder daß die Aufprallfläche entsprechend geneigt ist. In keinem Falle findet eine Relativbewegung der beim Aufprall zusammenstoßenden Oberflächen so statt, daß durch die hierbei entstehenden, in Horizontalrichtung wirkenden Reibungskräfte dem Testkörper ein Impuls gegeben wird, der die Horizontalkomponente der Rückprallbewegung hervorruft, so daß die Parameter der Rücksprünge eine Aussage über die wirksamen Reibungskoeffizienten zuließen.

Bei der vorliegenden Erfindung soll es dagegen um die Bestimmung der Haftreibung, der Gleitreibung und der Rollreibung gehen, und zwar insbesondere von Fahrzeugluftreifen.

Bisher werden diese Untersuchungen an Fahrzeugluftreifen gewöhnlich in der Weise durchgeführt, daß ein mit den zu prüfenden Fahrzeugluftreifen ausgerüsteter Kraftwagen oder Meßanhänger mit entsprechenden Meßgeräten Fahr- und Bremsversuchen unterworfen wird. Zu den Nachteilen dieser Verfahren gehört schon