DE2750461C3 - Wegaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wegaufnehmer, insbesondere für Bruchmessungen bei der Werkstoffprüfung, mit zwei in einen Spalt eines Werkstücks oder einer Probe unter Spannung einer Biegefeder einsetzbaren Armen, die durch einen Querbalken miteinander verbunden sind, und mit mindestens einem an der Biegefeder angebrachten Dehnungsmeßstreifen. ^

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 Rißverlänge- ">⁵ rung 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. "

Bei einem weiteren bekannten Wegaufnehmer (DE-OS 16 23 721) bestehen die in den Spalt eines Werkstücks einsetzbaren Arme aus Biegefedern, die aus einem einstöckigen Blechmaterial ausgestanzt sind und mit ihren der Spaltöffnung abgewandten Enden eine gemeinsame Basis bilden. Die eine Biegefeder ist aus der Fläche der anderen Biegefeder herausgebogen, so daß die Enden der beiden Biegefedern sich an den Rändern des zu messenden Spaltes abstützen. In den Anfangsbereichen der Biegefedern, also in der Nähe der gemeinsamen Basis, sind Dehnungsmeßstreifen auf den Biegefedern angeordnet Dadurch, daß beide Bjegefedern aus einer gemeinsamen Basis hervorgehen, erfolgt eine ungleichförmige Verteilung des Biegemoments auf die Länge jeder Biegefeder. In der Nähe der Basis ergibt sich ein hoher Dehnungsgradient, so daß selbst in dem relativ schmalen Bereich eines einzigen Dehnungsmeßstreifens an verschiedenen Stellen unterschiedliche Biegemomente auftreten. Infolge der Tatsache, daß die Dehnungsmeßstreifen an Stellen angebracht sind, an denen hohe Dehnungsgradienten auftreten, sind Nichtlinearitäten bei der Messung und Exemplarstreuungen bei den Meßgeräten zu befürchten. Außerdem besteht auch hier die Gefahr der Beschädigung der Dehnungsmeßstreifen, die auf den Biegefedern in den Bereich des zu messenden Spaltes eingeschoben werden.

Ferner ist ein Gerät zum Messen von Oberflächenverformungen bekannt (DE-PS 9 56 175), bei dem zwei parallele starre Arme mit ihren Enden an das Werkstück angelötet werden. Die rückwärtigen Enden der Arme sind mit einem Dehnungsmeßelement verbunden, das lineare Abstandsänderungen zwischen den Armen feststellt und somit auf Dehnungen und auf Biegungen des Werkstücks reagiert Ferner sind die beiden Arme über ein Hebelsystem mit einem zweiten Dehnungsmeßelement verbunden, das ausschließlich auf Dehnungen des Werkstücks reagiert Eine Biegefeder ist nicht vorhanden. Die Dehnungsmeßelemente sind Widerstandselemente, die ausschließlich auf Druck oder Zug beansprucht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wegaufnehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit einem einzigen Biegeclemeiu auskommt das zur Anpassung an wechselnde Aufgabenstellungen leicht ausgewechselt werden kann und so angeordnet ist daß die empfindlichen Teile, wie Dehnungsmeßstreifen und Verdrahtung, vor Fremdeinflüssen möglichst geschützt angebracht werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) die Arme sind &tarr ausgebildet;

b) der als Biegefeder ausgebildete Querbalken ist jeweils an dem der Spaltöffnung abgewandten Ende der Arme angeordnet

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.

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Durch unterschiedliche Gestaltung der Biegefeder (Meßfeder) sowie durch die Verwendung unterschiedlicher Federwerkstoffe kann der Wegaufnehmer an die jeweilige MeDaufgabe angepaßt werden. Hierzu bieten sich die folgenden Möglichkeiten an: ^r>

1. Änderung der Meßlänge durch Änderung der

Länge der Biegefeder,
Z 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 Biegefeder 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 gewShrleistet, 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 Biegefeder 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 Lastangrifrslinie zu messen, weil Messungen in kleinen Rißbreiten möglich sind. Solche Messungen in der Lasiangriffsiinie sind bei bestimmten Untersuchungen erforderlich (J.-Integralmessungen).

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

F i g. I zeigt schematisch die Anwendung einer ersten Ausführungsform des Meßwertaufnehmers bei einer Probenuntersuchung nach der ASTM-Norm E 399-74;

F i g. 2 zeigt schematisch in vergrößertem Maßstab den Eingriff des Wegaufnehmers in den vorbereiteten Probenspalt sowie den Anschluß der Dehnungsmeßstreifen an eine Meßbrücke;

F i g. 3 zeigt eine Seitenansicht,

F i g. 4 eine Stirnansicht und

Fig.5 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform des Wegaufnehmers;

F i g. 6 zeigt schematisch die Anwendung der zweiten Ausführungsform des Wegaufnehmers;

Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des Wegaufnehmers nach F i g. 6 bei entspamtfsr Biegefeder;

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60 Fig.8 zeigt eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig, 7 bei gespannter Biegefeder, und

Fig,9 zeigt eine Stirnansicht des Wegaufnehmers der F i g, 7 und 8,

Die in F i g. 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 isi 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 gene -j'M sind. An diesen Messerschneiden greift der Wegaufnehf-er 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 Cnden 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 Ender 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 Biegefeder 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 F i g. 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 eiiier Biegefeder 35 verbunden, an der zwei Dehnungsmeßstreifen 37 und 37' befestigt sind. Die Arme sind im vorliegenden Falle abgewinkelt. Sie verlaufen bei enispannter Biegefeder 35 (Fig.7) zunächst aufeinander zu und dann nach einer Knickstelle wieder auseinander. Der Knickwinkel beträgt ca. 45°.

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 F i g. 8 ersichtlich ist, können die freien Enden der Arme des Wegaufnehmers bei Spannung der Biegefeder 35 parallel zueinander gelegt werden, so daß sie in den Spalt 37 der Probe 31 so tief eingeführt werden können, daLc 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. daB 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 daB 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/Spanmings-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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wegaufnehmer, insbesondere für Bruehmessungen bei der Werkstoffprüfung, mit zwei in einen Spalt eines Werkstücks oder einer Probe unter Spannung einer Biegefeder einsetzbaren Armen, die durch einen Querbalken miteinander verbunden sind, und mit mindestens einem an der Biegefeder angebrachten Dehnungsmettstreifen, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) die Arme(18,19; 33,34) sind starr ausgebildet;

b) der als Biegefeder (20, 35) ausgebildete Querbalken ist jeweils an dem der Spaltöffnung '"> (37) abgewandten Ende der Arme (18, 19; 33, 34) angeordnet

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 auswechs^'baren Befestigen der Enden der Biegefeder aufweisen.