DE2750461A1

DE2750461A1 - Wegaufnehmer

Info

Publication number: DE2750461A1
Application number: DE19772750461
Authority: DE
Inventors: Volker Ing Grad Bachmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1977-11-11
Filing date: 1977-11-11
Publication date: 1979-05-17
Also published as: DE2750461B2; DE2750461C3

Description

Wegaufnehmer
Die Erfindung betrifft einen Wegaufnehmer, insbesondere für Bruchmessungen bei der Werkstoffprüfung, mit zwei in einen Spalt eines Werkstücks oder einer Probe unter Federspannung einsetzbaren Armen, die durch Querbalken miteinander verbunden sind.
Es sind Wegaufnehmer bekannt (Norm ASTM E 399-74 Standard Method of Test for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic Materials), die zwei im wesentlichen parallele Biegebalken aufweisen, die einen Abstand voneinander haben und durch ein starres Klemmstück miteinander verbunden sind.
Die Enden der Biegebalken werden zwischen Messerschneiden einer Starterkerbe eingespannt, die an dem Werkstück oder der Probe angebracht worden ist. Bei Belastung der Probe tritt an der Starterkerbe eine Rißverlängerung ein, deren Größe mit dem Wegaufnehmer gemessen wird.
Derartige Wegaufnehmer benötigen zwei Biegebalken, die möglichst einander gleich sein sollen. Auf den Biegebalken sind Dehnungsmeßstreifen befestigt, die zu einer Meßbrücke geschaltet sind. Diese sind leicht zu beschädigen, da der Aufnehmer zwecks Vorspannung im Bereich der Dehnungsmeßstreifen angefaßt werden muß. Die Ausgangsspannung am Spannungsabgriff der Meßbrücke liefert ein Maß für die Größe des Spaltes.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wegaufnehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit einem einzigen Biegeelement auskommt, das zur Ermöglichung an wechselnde Aufgabestellungen leicht ausgewechselt werden kann und so angeordnet ist, daß die empfindlichen Teile, wie Dehnungsmeßstreifen und Verdrahtung, vor Fremdeinflüssen (Berührung, Temperaturänderungen) möglichst geschützt angebracht werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Arme starr ausgebildet sind, und daß der Querbalken eine Biegefeder ist, an der mindestens ein Dehnungsmeßstreifen befestigt ist.
Dadurch, daß der der Probe abgewandte Querbalken als Biegefeder ausgebildet ist, erhält man eine exakt symmetrische Verformung der Biegefeder. Es ist nur ein einziges Biegeelement vorhanden, so daß für eine exakte Messung zwei Dehnungsmeßstreifen, von denen einer auf der Oberseite und einer auf der Unterseite der Biegefeder befestigt wird, ausreichen, während bei den bekannten Wegaufnehmern vier Dehnungsmeßstreifen erforderlich sind.
Die Biegefeder läßt sich leicht von den Armen lösen und kann schnell ausgewechselt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Weg/Spannungs-Kennlinie in einem weiten Bereich mit hoher Genauigkeit linear verläuft. Dies ermöglicht exakte Messungen ohne komplizierte Umrechnungen.
Durch unterschiedliche Gestaltung der Biegefeder (Meßfeder) sowie durch die Verwendung unterschiedlicher Federwerkstoffe kann der Wegaufnehmer an die jeweilige Meßaufgabe angepaßt werden. Hierzu bieten sich die folgenden Möglichkeiten an: 1. Änderung der Meßlänge durch Änderung der Länge der Biegefeder, 2. Änderung der Empfindlichkeit durch Änderung der Stärke der Biegefeder, 3. Änderung der Eigenfrequenz durch Änderung der Stärke, des Werkstoffs und der Breite der Biegefeder, und 4. Isolierung der Biegefeder gegenüber den Armen zur Vermeidung einer Strombrücke über den Wegaufnehmer.
Durch geeignete Sperren sollte verhindert werden, daß die Biege feder bei Probenbruch oder bei unsachgemäßer Handhabung unbrauchbar wird, d.h. daß die äußere Faser der Biegefeder bis in den plastischen Bereich des Federwerkstoffs gedehnt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers, die sich insbesondere zum Messen der Rißaufweitung an Bruchmechanikproben eignet, ist in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Arme im wesentlichen geradlinig verlaufen, und daß sich ihr gegenseitiger Abstand im entspannten Zustand der Biegefeder zu den freien Enden hin verringert. Dadurch, daß die Arme zu ihren freien Enden hin konvergieren, ist gewährleistet, daß sich bei Verwendung von Biegefedern bis ca. 1 mm Stärke die Meßschneiden an den Enden der Arme berühren können, ohne daß an der äußeren Faser der Meßfeder eine Dehnung von mehr als 0,1 % eintritt. Das Vorspannen der Biegefeder ist erforderlich, damit der Wegaufnehmer sich an den Probenkerben festklemmt und nach dem Probenbruch unversehrt herausfällt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Arme abgewinkelt sind, und von der Biege feder aus zunächst nach innen und anschließend bei entspannter Biegefeder wieder nach außen verlaufen, und daß die Arme seitlich gegeneinander versetzte Balken aufweisen, die bei gespannter Biegefeder in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Diese Ausführungsform bietet die Möglichkeit, an Bruchmechanik-CT-Proben die Rißöffnung in der Lastangriffslinie zu messen, weil Messungen in kleinen Rißbreiten möglich sind. Solche Messungen in der Lastangriffslinie sind bei bestimmten Untersuchungen erforderlich (J.integralmessungen).
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anwendung einer ersten Ausführungsform des Meßwertaufnehmers bei einer Probenuntersuchung nach der ASTM-Norm E 399-74, Fig. 2 zeigt schematisch in vergrößertem Maßstab den Eingriff des Wegaufnehmers in den vorbereiteten Probenspalt, sowie den Anschluß der Dehnungsmeßstreifen an eine Meßbrücke, Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht, Fig. 4 eine Stirnansicht, und Fig. 5 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform des Wegaufnehmers.
Fig. 6 zeigt schematisch die Anwendung der zweiten Ausführungsform des Wegaufnehmers, Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des Wegaufnehmers nach Fig. 6 bei entspannter Biegefeder, Fig. 8 zeigt eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 7 bei gespannter Biegefeder, und Fig. 9 zeigt eine Stirnansicht des Wegaufnehmers der Fig. 7 und 8.
Die in Fig. 1 dargestellte Versuchsanordnung entspricht der ASTM-Norm E 399-74. Dabei wird eine balkenförmige Probe 10 zur Bestimmung der Rißzähigkeit im Zustand ebener Dehnung auf zwei Rollen 11, 12 gelegt. Entlang der vertikalen Mittelebene zwischen den Rollen 11, 12 drückt eine dritte Rolle 13 von oben her auf den Balken 10. In der vertikalen Mittelebene ist von unten her eine Starterkerbe 14 an dem Balken angebracht. An den Wänden der Starterkerbe 14 befinden sich Messerschneiden, in die die Enden der Arme eines Wegaufnehmers 15 eingreifen.
Die Rollen 11, 12 sind in Ausnehmungen eines Basisteiles 16 in Grenzen frei bewegbar.
Fig. 2 zeigt schematisch die Querschnittsform der Starterkerbe 14 in der Probe 10. Die Starterkerbe 14 weist zwei nach innen vorspringende Messerschneiden 17 auf, deren Form und Größe genormt sind. An diesen Messerschneiden greift der Wegaufnehmer mit Kerben an, die an den Enden seiner Arme 18, 19, jeweils an der Außenseite, angebracht sind.
Die starren Arme 18, 19 des Wegaufnehmers sind an ihren Enden durch die Biegefeder 20 miteinander verbunden. Die Biegefeder, an deren Unterseite ein Dehnungsmeßstreifen 21 und an deren Oberseite ein Dehnungsmeßstreifen 22 aufgeklebt ist, bildet zusammen mit den Dehnungsmeßstreifen den elektromechanischen Wandler. Die Kontakte der Dehnungsmeßstreifen 21, 22 sind in bekannter Weise an eine Meßbrücke 23 angeschaltet, die bei Biegebelastung der Biegefeder 20 den dann bestehenden Ungleichgewichtszustand an einem Meßinstrument 24 zur Anzeige bringt.
In den Fig. 3 bis 5 ist der Wegaufnehmer 15 detaillierter dargestellt. Die Arme 18 und 19 haben zur Erhöhung des Widerstandsmomentes jeweils eine Querrippe 25. An den äußeren Enden der Arme befinden sich die Kerben 26, die nach außen gewandt sind. Von den Kerben 26 aus verbreitern sich die Rippen 25 bis zu den Einspannenden 27, wo die quer zu den Armen verlaufende Biege feder 20 jeweils mit einem Klemmstück 28, das mit zwei Schrauben 29 an dem Einspannende 27 befestigt ist, eingespannt ist. Die Biegefeder 20 hat entsprechende Bohrungen zum Hindurchstecken der Schrauben 29.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 bis 9 ist der Wegaufnehmer 30 dazu bestimmt, die Rißöffnung einer CT-Probe 31 in der Lastangriffslinie, die durch die Mittelachsen der Zuglöcher 32 hindurchgeht, zu messen. Die Arme 33 und 34 des Wegaufnehmers sind auch hier mit einer Biegefeder 35 verbunden, an der zwei Dehnungsmeßstreifen 37 und 37 befestigt sind. Die Arme sind im vorliegenden Falle abgewinkelt. Sie verlaufen bei entspannter Biegefeder 35 (Fig. 7) zunächst aufeinander zu und dann nach einer Knickstelle wieder auseinander. Der Knickwinkel beträgt ca. 450.
An den freien Enden der Arme 33, 34 befinden sich frei nach außen abstehende gehärtete Stahlspitzen 36, die an den Spaltenrändern zur Anlage kommen.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, können die freien Enden der Arme des Wegaufnehmers bei Spannung der Biege feder 35 parallel zueinander gelegt werden, so daß sie in den Spalt 37 der Probe 31 so tief eingeführt werden können, daß die Spitzen 36, auf der Lastangriffslinie liegen.
Um in sehr schmalen Spalten messen zu können, ist der Arm 33 in dem frei abstehenden geradlinigen Abschnitt gabelförmig geteilt. Der Arm 34 ist dagegen so schmal ausgebildet, daß er zwischen den Gabelzinken Platz hat. Auf diese Weise ist es möglich, in Spalten von ca. 2,5 mm Breite zu messen. Von dem Arm 33 trägt jede Zinke eine gehärtete Stahlspitze 36, so daß sich insgesamt eine Dreipunktabstützung in dem Spalt 37 ergibt. Diese Abstützung ist sehr stabil.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich Fräsarbeiten an den Proben nicht erforderlich.
Versuche haben gezeigt, daß sich eine exakt lineare Weg/ Spannungs-Kennlinie ergibt.
Der erfindungsgemäße Wegaufnehmer läßt sich in modifizierter Form auch bei Anwendung des Potential-Sondenverfahrens einsetzen. Bei diesem Verfahren wird ein Gleichstrom durch die Probe geleitet. Dieser Gleichstrom erzeugt in Abhängigkeit von der Rißlänge einen Spannungsabfall, der gemessen wird. Durch den Wegaufnehmer kann dieser Spannungsabfall verfälscht werden. Um dies zu vermeiden, kann die Meßfeder gegenüber den Armen durch Isolierplättchen isoliert werden. Auf diese Weise wird der Parallelwiderstand des Wegaufnehmers ausgeschaltet.
Leerseite

Claims

Ansprüche Wegaufnehmer, insbesondere für Bruchmessungen bei der Werkstoffprüfung, mit zwei in einen Spalt eines Werkstücks oder einer Probe unter Federspannung einsetzbaren Armen, die durch einen Querbalken miteinander verbunden sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Arme (18, 19; 33, 34) starr ausgebildet sind, und daß der Querbalken eine Biegefeder (20, 35) ist, an der mindestens ein Dehnungsmeßstreifen (21, 22; 36, 37) befestigt ist.
2. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (18, 19) im wesentlichen geradlinig verlaufen, und daß sich ihr gegenseitiger Abstand im entspannten Zustand der Biegefeder (20) zu den freien Enden hin verringert.
3. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (33, 34) abgewinkelt sind und von der Biegefeder (35) aus zunächst nach innen und anschließend bei entspannter Biegefeder wieder nach außen verlaufen, und daß die Arme seitlich gegeneinander versetzte Balken aufweisen, die bei gespannter Biegefeder in einer gemeinsamen Ebene liegen.
4. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme lösbare Klemmstücke zum auswechselbaren Befestigen der Enden der Biegefeder aufweisen.