DE2602940A1

DE2602940A1 - Vorrichtung zur wechselbeanspruchung von prueflingen eines werkstoffes mit zug- und druckkraeften

Info

Publication number: DE2602940A1
Application number: DE19762602940
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Clebant; Jean-Claude Fecan
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-01-27
Filing date: 1976-01-27
Publication date: 1976-07-29
Also published as: FR2298791A1; GB1516451A; FR2298791B1; US4009606A; JPS5263384A

Description

410-25.23IP

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

und
Societe Europeenne de Propulsion, Puteaux (Frankreich)

Vorrichtung zur Wechselöeanspruchung von Prüflingen eines Werkstoffes mit Zug- und Druckkräften

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Prüfung der Wechselfestigkeit eines Werkstoffes, der abwechselnd mit Zug- und Druckkräften belastet wird.

Es ist bekannt, daß ein mechanischer Bauteil in ganz allgemeiner Weise mit zwei Arten von Kräften beansprucht werden kann:

In einem ersten Fall kann man von statischer Belastung sprecnen, d. h. die Anwendung der Belastungskraft, der der Bauteil unterworfen ist, hat stets die gleiche Ricntung (beispielsweise eine Zug- oder Druckkraft); oder es handelt sich um dynamische Kräfte, bei denen die auf den mechanischen Bauteil ausgeübte Kraft in ihrer Richtung wecuselt oder anders gesagt: man hat Wechselbeansprucnungen, d. h. Kräfte, die sich in Form von Zug- und Druckkräften abwechseln.

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Für den Fall, bei dem die Teile Vibrationen unterworfen sind, hat man selbstverständlich Wechselbeanspruchungen. Um die Abmessungen derartiger Teile zu bestimmen, ist es notwendig, die Widerstands festigkeit des Materials gegenüber diesen Wechselbeanspruchungen zu kennen.

Genauer gesagt: man muß die Ermüdungskurve des Materials in AbhängigKeit von der Anzahl der KraftspieIe kennen, denen das Material unterworfen ist.

Um die charakteristischen Werte der Ermüdungsfestigkeit eines Materials zu prüfen, stellt man einen starren Prüfling aus diesem Material her, den man Wechselbeansprucnungen durcn Zug- und Druckkräfte mit Hilfe einer besonderen Vorrichtung unterwirft.

Es bestehen bereits Maschinen, die es gestatten, einen Prüfling WecnseIbeanspruchungen zu unterwerfen. Bestimmte dieser Maschinen sind insbesondere ausgelegt, um statische Versuche durchzuführen, entweder mit Zugoder mit Druckkräften, sie werden gegebenenfalls in dem Bereich der Vibrationen verwendbar sein, unter der Voraussetzung, daß man in einem niedrigen Frequenzbereich (kleiner als 50 Hz) bleibt. Ein anderer größerer Nachteil dieser Zugvorrichtungen besteht darin, daß sie senr schlecht für Versuche längerer Dauer geeignet sind, denn inre Festigkeit oder Betriebsfähigkeit wird selbst bei diesen Versuchen in Frage gestellt.

Wenn man weiß, daß man, um die Ermüdungskurve ei-

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nes Materials festzustellen, dieses Material Hunderten unterschiedlicher Versuche unterwerfen muß, können gewisse Versuche mehrere 10 Millionen von Arbeitsspielen bedingen und man erkennt, daß es sehr interessant ist, über eine viel schneller arbeitende Prüfmaschine zu verfügen, die es möglich macht, eine Benutzungsfrequenz zu erzielen, die 500 Hz erreicht, um die Dauer der Versuche abzukürzen.

Damit man Ermüdungsversuche bei höheren Frequenzen und unter unterschiedlichen Beanspruchungsarten durchführen kann, wird man dazu geführt, einen elektrodynamischen Erreger als Quelle für die Kräfte zu verwenden. Die Hauptschwierigkeit beruht auf der Tatsache, daß man unbedingt vermeidet, eine Vorspannung in den Prüflingen bei dem Einbau dieser in das Versuchsgerät zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung hat insbesondere zum Gegenstand eine Vorrichtung für das Prüfen von Werkstoffen, die Wechselbeanspruchungen mit Zug- und Druckkräften unterworfen werden, wobei diese Maschine die oben erwähnten Nachteile vermeidet und es insbesondere möglich macht, eine leicht einem üblichen elektrodynamischen Erreger anpaföbare Vorrichtung zu benutzen.

Die Vorrichtung zur Wechselbeanspruchung von η (η ^ 1) Prüflingen eines Werkstoffes mit Zug- und Druckkräften ist im wesentlichen gekennzeichnet durch: einen Erreger für Wechselkräfte mit horizontaler Bewegungsachse, eine an einem Ende mit dem Erreger verbundene und am anderen Ende mit η Befestigungsorganen für Befestigung je

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eines Endes eines der η Prüflinge versehene Führungsstange, die derart geführt ist, daß sie sich frei längs einer horizontalen Achse verschieben kann, ferner einen massiven Bauteil mit η horizontalen Lagern, die mit Düsen für das Einblasen von Druckgas versehen sind und Gasdrucklager für η zylindrische Massen bilden, die je eine horizontale Achsbewegung zulassen, wobei die Massen an ihrer der Stange zugewandten Stirnfläche je ein Organ zur Befestigung des anderen Endes eines der Prüflinge haben.

Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung hat jede Masse Mittel, welche die Drehung dieser Masse um ihre Achse vernindern.

Vorzugsweise bestehen diese Mittel aus zumindest einer auf der Seitenfläche der Masse vorgesehene Anflachung, wobei die Anflachung oder die Anflachungen mit einer gleichen Anzahl von Flachstellen zusammenwirken, die auf der Tragfläche des entsprechenden Lagers vorgesehen sind.

Nach einem anderen Merkmal hat der massive Bauteil η zylindrische Bohrungen mit horizontaler Achse, deren Querscnnitt im wesentlichen ein Kreis ist; die Achsen sind gleichmäßig auf eine zylindrische Fläche mit einem kreisförmigen Querschnitt verteilt, wobei die horizontale Rotationsachse mit derjenigen der Stange zusammenfällt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung be-

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schrieben, die Keine Einschränkung bedeuten. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, in der darstellen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, einer

Vorrichtung für das Prüfen von Werkstoffen, die zum Prüfen eines einzigen Prüflings bestimmt ist, teilweise aufges chnitten;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung, die es gestattet, gleichzeitig vier Prüflinge zu untersuchen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 stellt man fest, daß die gesamte Vorrichtung auf einer festen Grundplatte 2 ruht. Auf dieser Grundplatte sind starr befestigt ein Lager 4, das später beschrieben wird, und ein Führungssystem 6.

Das Lager 4 und das Führungssystem 6 sind auf der Platte derart festgelegt, daß sie eine gemeinsame horizontale Achse X-X¹ haben. Das Führungssystem 6 kann von irgendeiner bekannten Art sein. Es dient dazu, die Stange 8 zu führen, die mit ihrem Ende 10 mit der Platte 12 des elektrodynamischen Erregers fest verbunden ist. Das Führungssystem 6 umfaßt ein festes Gehäuse 14, das starr mit der Grundplatte 2 verbunden ist und ein bewegliches Chassis Ib, das zur Verschiebung gegenüber dem Gehäuse 14 in der Richtung der Achse X-X¹ geführt ist.

Das Führungssystem 6 kann insbesondere ein zu dem Lager 4 koaxiales Gasdrucklager sein, dessen Ausrichtung

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zweckmäßigerweise von der Konstruktion her durchgeführt ist und dessen Sperrung gegenüber einer Rotation durch Maßnahmen erhalten wird, die für die bewegliche Masse erwännt werden.

Das Chassis hat die Befestigungsorgane 18 für die Stange 8 an dem beweglichen Teil 16. An ihrem anderen Ende 20 ist die Stange 8 mit Verbindungsflanschen 22 für den Kopf 24 des zu prüfenden Prüflings 26 versenen.

Die Plansche 22 sind bekannter Art und gestatten ein vollkommenes Zentrieren der Achse des Prüflings relativ zur Acnse der Stange 8.

Das Lager 4 bildet mit seinen Gasdruckdüsen 28 ein Qasdrucklager. Die Düsen sind über die Kanäle 29 an eine Druckgasquelle 29' angeschlossen.

Der innere Querschnitt dieses Lagers, das Zylinderform mit einem beliebigen Führungsquerschnitt aufweist, hat beispielsweise zwei Anflachungen 30a und 30b.

Im Inneren des Lagers 4 kann eine Belastungsmasse verschoben werden, welcne die Form eines Zylinders mit irgendeiner Einrichtung zum Einnalten der horizontalen Achse X-X¹ hat. In dem dargestellten Beispiel ist die Belastungsmasse in Formeines Zylindersektors dargestellt, der zwei Anflacnungen 34a und 34b aufweist, die den Anflachungen 30a und 30b des Lagers entsprechen. Die Belastungsmasse 32 hat auf ihrer Stirnfläche 36, die der Stange 8 zugewandt ist, einen Befestigungsflansch 38, der den Prüfling 26 mit seinem Kopf 40 einspannt und sein Zentrieren erlaubt. Man sieht also, daß die Bau-

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gruppe, die aus der Stange 8, dem Prüfling 26 und der Belastungsmasse 32 bestent, eine insgesamt verschiebbare Baugruppe ist, die in horizontaler Richtung längs der Achse X-X¹ bewegbar ist. Die Schwingbewegungen in Richtung der Pfeile P und F' werden von dem Erreger 12 bewirkt. Das Druckluftlager macht es möglich, zwei Arten von Schwierigkeiten zu überwinden:

- es gewährleistet eine große Präzision in der Festlegung der Verschiebungsachse X-X';

- es gestattet dank seiner geringen Reibung und Genauigkeit ein sehr genaues Ausrichten der Montageachsen und infolgedessen ein Arbeiten des Prüflings entsprechend einer reinen Wechselbeanspruchung. Außerdem macht die Verwendung des Gasdrucklagers es möglich, die Reibungskräfte der Belastungsmasse relativ zu ihrer Halterung erheblich zu verringern.

Ein derartiges Lager hat unter den Bedingungen der Verwendung bei Ermüdungsversuchen Reibungen, die vernachlässigt werden können und die so das Erhalten von sehr einfachen Prüfbedingungen erlauben. Der einzige veränderliche Parameter, der zu berücksichtigen ist, ergibt sich aus dem Beschleunigungsgesetz des Erregers.

Das Lager H ergibt eine ausgezeichnete Führung in Richtung der Achse X-X¹ und die Sicherheit bei diesen Vorgängen. Außerdem ist es praktisch nicht abnutzbar (Integrität während längerer Zeit).

Um Drehschwingungen um die Achse X-X' zu vermeiden, 809831/0754

ist die Masse 32-mit zwei Anflachungen versehen, die auf diese Weise Drehbewegungen verhindern.

Man könnte auch andere Vorrichtungen zum Unterbinden einer Drehbewegung, etwa durch biegsame Federblätter, vorsenen, die eine große Starrheit gegenüber einer Drehbewegung und eine sehr geringe Steifigkeit gegenüber der Hauptverschiebebewegung haben (der Bewegung für Zug und Druck).

Mit der AusführungsVariante, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, kann man gleichzeitig mehrere Prüflinge untersuchen. In dem speziellen dargestellten Fall ist die Zahl der Prüflinge gleich 4; in der Zeichnung sind nur zwei Prüflinge in der Schnittebene dargestellt.

Das Ende 20' der Stange 8 hat vier Spannflansche 22a, 22b, die es möglich machen, jeweils einen der Köpfe der Prüflinge 26a und 26b einzuspannen.

Die Prüflinge haben natürlich die Achsen X-X¹ und

a a

X -X' , die parallel zur Achse X-X¹ der Stange 8 sind.

Es gibt auch vier Belastungsmassen 32a, 32b, wobei jede Masse einem der Prüflinge zugeordnet ist.

Jeder Masse entspricht ein Spannflansch 38a, 38b, der es möglich macht, das zweite Ende jedes Prüflinges an der Masse festzulegen.

Das Lager 4 ist in diesem Falle durch einen Bauteil 4' ersetzt, der Bohrungen aufweist, deren Zahl der Anzahl der Belastungsmassen entspricht. Es gibt also vier

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Bohrungen in diesem speziellen Fall, die mit 44a, 44b bezeichnet sind.

Die Bohrungen 44a und 44b haben natürlich die gleiche Querschnittsform, wie die Belastungsmassen 32a und 32b.

Die Belastungsmassen 32a und 32b sind Zylinder mit geradem Kreisquerschnitt oder einem anderen Querschnitt. Es gilt das gleiche für die Bohrungen 44a und 44b. Unter der Voraussetzung eines Kreisquerschnittes muß für jede der Belastungsmassen 32a und 32b ein System zur Sperrung einer Drehung vorgesehen sein.

Die Bohrungen 44a und 44b haben natürlich einen Durchmesser, der ein wenig größer als der der entsprechenden Belastungsmassen ist, so daß ein Spiel besteht, welches das Einführen eines Luftkissens für jede Belastungsmasse gestattet. Jede Bohrung 44 wird durch Lufteinblasdüsen 46 mit Luft unter Überdruck gespeist.

Diese Düsen sind hinsichtlich ihrer Anzahl wählbar oder veränderlich und sind gleichmäßig über die Länge der Belastungsmassen und auf ihrem Umfang verteilt. Die Größe der Belastungsmasse und ihres Lagers ist in Abhängigkeit von den Prüflingen festgelegt und infolgedessen a priori vorgegeben; andererseits ist die Anzahl der Massen der Ausgestaltung der Vorrichtung angepaßt, wie dies in der Fig. 2 veranschaulicht ist.

Um das Auftreten einer Zwängung oder Zusatzbeanspruchung zu vermeiden, die nach Bruch eines der Prüf-

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- ίο -

linge auftreten könnte, gestattet ein Detektor, die Maschine anzuhalten, sobald ein Prüfling gebrochen ist, d. h. sobald eine Belastungsmasse aus dem normalen Bewegungsbetrieb ausscheidet. Es genügt dann, den gebrochenen Prüfling auszutauschen und den Versuch erneut in Betrieb zu nehmen.

Die oben bescnriebene Vorrichtung hat gleichzeitig die folgenden Vorteile:

- Die Belastung der Prüflinge erfolgt nach einem Zyklus aus praktisch reinen Zug- und Druckkräften,

- es gibt keine Vorspannungen in der Bruchzone des Prüflings,

- die angewendeten Kräfte sind genau bekannt,

- die Vorrichtung gestattet die Untersuchung der Ermüdung von Werkst of fen,indem Beanspruchungen unterschiedlicher Typen angewendet werden (harmonische Vibrationen mit festen oder variablen Frequenzen, verzögerte Vibrationen, Stößen),

- die Durchführung der Versuche geschieht schnell.

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Claims

- li -

Ansprüche

( IJ Vorrichtung zur Wechselbeanspruchung von η (η ^ 1) Prüflingen eines Werkstoffs mit Zug- und Druckkräften,

gekennzeichnet durch

einen Erreger (12) für Wechselkräfte mit horizontaler Bewegungsachse, eine an einem Ende mit dem Erreger verbundene und am anderen Ende mit η Befestigungsorganen (20, 22) für Befestigung je eines Endes (24) eines der η Prüflinge (26) versehene Führungsstange (8), die derart geführt ist, daß sie sich frei längs einer horizontalen Achse (X-X') verschieben kann, ferner einen massiven Bauteil (4) mit η horizontalen Lagern, die mit Düsen (28) für das Einblasen von Druckgas versehen sind und Gasdrucklager für η zylindrische Massen (32) bilden, die je eine horizontale Achsbewegung zulassen, wobei die Massen an ihrer der Stange zugewandten Stirnfläche je ein Organ (38) zur Befestigung des anderen Endes (40) eines der Prüflinge haben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerquelle ein elektrodynamischer Erreger (12) ist.
3. Vorrichtung nach igrendeinem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Masse (32) Mittel zur Verhinderung einer Drehbewegung dieser Masse um ihre Achse aufweist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß für jede Mas-se (32) die Mittel zur Verhinderung der Drehung aus zumindest einer auf der seitlichen Fläche der Masse vorgesehenen Anflachung (34a, 34b) bestehen, wobei die Anflachung oder die Anflachungen mit einer gleicnen Anzahl von Anflachungen (30a, 30b) zusammenwirken, die auf der Tragfläche des entsprechenden Lagers angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der massive Bauteil (4¹) η zylindrische Bohrungen (44a," 44b) mit horizontaler Achse aufweist, deren Querschnitt beliebig ist, daß die Achsen (X -X¹ , X -X' ) gleichmäßig auf einer Zylinder-

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fläche mit einem Querschnitt und einer Achse verteilt sind, deren Achse mit der Achse (X-X¹) der Stange (8) zusammenfällt.
6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Pührungssystem des die Prüflinge belastenden Bauteils durch ein Gasdrucklager gesichert ist, das koaxial zu dem die bewegliche Masse tragenden Lager ist.

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