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Wegaufnehmer
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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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.
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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.
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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.
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Die Rollen 11, 12 sind in Ausnehmungen eines Basisteiles 16 in Grenzen
frei bewegbar.
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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.
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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.
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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.
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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.
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An den freien Enden der Arme 33, 34 befinden sich frei nach außen
abstehende gehärtete Stahlspitzen 36, die an
den Spaltenrändern
zur Anlage kommen.
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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.
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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.
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Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich Fräsarbeiten
an den Proben nicht erforderlich.
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Versuche haben gezeigt, daß sich eine exakt lineare Weg/ Spannungs-Kennlinie
ergibt.
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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.
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