DE3044430A1

DE3044430A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung statischer und dynamischer eigenschaften eines visko-elastischen materials

Info

Publication number: DE3044430A1
Application number: DE19803044430
Authority: DE
Inventors: Clement 9390 Moorsel De Meersman; Pièrre 8223 Stalhille Pringiers
Original assignee: Bergougnan Benelux SA
Current assignee: Bergougnan Benelux SA
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1980-11-26
Publication date: 1981-08-27
Also published as: GB2067769B; DE3044430C2; BE885990A; IT1129377B; FR2473714B1; IT8068809A0; FR2473714A1; JPS56128442A; US4383450A; GB2067769A; NL7908675A

Description

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BERGOUGNAN BENELUX, Brugse Steenweg, 7, Everqem-Rabot

(Belgien)

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung statischer
und dynamischer Eigenschaften eines visko-elastischen

Materials

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung
statischer und dynamischer Eigenschaften, insbesondere des Elastizitätsmoduls E¹ und des Verlustmoduls E"
eines visko-elastischen Materials, dessen Entspannungsmodul E(t) der Gleichung E(t) = A + Bt" , genügt, worin E(t) der Entspannungsmodul, A, B und cc Konstanten und t die Zeit in Sekunden ist, und zwar in Abhängigkeit der Frequenz, mit der das Material beaufschlagt wurde.

Unter visko-elastischem Material verseht man unter
anderem warmhärtbare Kautschuke, Gemische von Kautschuk und Füllstoffen, bestimmte Kunststoffe, thermoplastischen Kautschuk und analoge Materialien.

Die Kenntnis dynamischer Eigenschaften des Materials ist unter anderem notwendig, wenn Teile aus einem derartigen Material mit numerischen Rechenprogrammen be-

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rechnet werden, insbesondere Teile, die der Abstützung von Maschinen, Gebäuden u.dgl. dienen sollen, der Aufhängung von Motoren, der Befestigung von Dämpfern u. dgl.. Bei den bislang bekannten Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften derartiger Materialien benutzt man generell schwere und kostspielige Maschinen mit hydraulischer und mechanischer Erregung, die dann große Kräfte erzeugen müssen. Die gemäß diesen Methoden ermittelten Eigenschaften hängen von den Dimensionen der benutzten Probe und von den Verformungsbedingungen ab. Das Ergebnis ist also keineswegs sozusagen ein reiner Eigenschaftswert des betroffenen Materials. Um darüber hinaus eine Unabhängigkeit von der Frequenz für die Eigenschaftswerte zu erhalten, muß man theoretische Messungen für alle Frequenzen durchführen, was in der Praxis unmöglich ist. Schließlich können die gemäß den bislang üblichen Methoden gemessenen Werte nicht direkt für die numerische Berechnung für andere Verformungswerte eingesetzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt hauptsächlich die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem sich ein reiner Eigenschaftswert des Materials ermitteln läßt, der unabhängig von den Formen, den Dimensionen und der gewählten Verformung ist und der im übrigen direkt die Abhängigkeit der Eigenschaftswerte des Materials von der Frequenz aufzeigt.

Die erfindungsgemäße Lösung bezüglich des Verfahrens besteht darin, daß man auf das zu prüfende Material mittels einer Kraft F eine vorbestimmte konstante Verformung durch Zusammendrückung oder Eindrückung aufbringt und daß man diese Verformung mindestens während

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10 Sekunden, vorzugsweise für mindestens 15 Sekunden aufrechterhält, wobei dann die Ausbildung der Kraft F ausgehend von dem Moment Null, entsprechend demjenigen., wo die Kraft aufgebracht wurde, und dem Kraftabfall, nachdem die konstante Verformung erreicht wurde, in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird und man die in Frage stehenden Eigenschaften des Materials auf der Basis folgender Formeln berechnet:

E(t) = [f F_t(a), F₂(b), Fit)] (I)

mit a = Tiefe des Eindruckes

b = Dimension und Form des Eindruckkörpers oder Querschnitt der Probe

E(t) = A + Bt"⁰⁰ (II)

) = Ε· (ω) + j E" (CJ) (III)

mit« = 2Tf, f = Frequenz

2 f (1 +eC) 2 2

(1 -CC) pd +<*) _(v)

2 Γ<1 + *> 2
mit Γ = Gamma-Funktion.

Zweckmäßig bringt man die vorgenannte Verformung auf das Material in mindestens 0,5 Sekunden auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bringt man die Verformung mittels eines kugelförmigen Eindruckkörpers auf, dessen Durchmesser vorzugsweise zwischen 0,5 und

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BKkGOUGNAN BtNLLUX , _ÄÄ

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3 mm liegt, und zwar auf eine Tiefe, die mindestens gleich dem Radius dieses Kugelkörpers ist.

Bezüglich der Vorrichtung ergibt sich die erfindungsgemäße Lösung aus dem kennzeichnenden Teil des An-Spruches 13.

Die dort geschilderte Anordnung und Verbindung des Eindrückkörpers mit der Kraftmeßdose und mit dem um eine vorbestimmte konstante Strecke verlagerbaren Element gewährleisten eine einwandfreie Verfahrensdurchführung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das um eine vorbestimmte konstante Strecke verlagerbare Element in Form einer Stange ausgebildet, die gleitend in einer feststehenden Führung geführt ist und die an ihrem dem Eindrückkörper abgewandten Ende ein Abstützorgan aufweist, das einerseits mit einem elastischen Glied zwischen der Führung und dem Abstützorgan und andererseits mit einem Nocken zusammenwirkt, der um eine senkrecht zur Stangenachse liegende Drehachse drehen kann und eine Exzentrizität hat, die annähernd der Hälfte der konstanten genannten Verlagerungsstrecke der Stange entspricht und der somit diese Stange zusammen mit dem Eindrückkörper aus einer Ruhestellung in Richtung auf die Probe zu bis in eine Eindrückstellung treiben kann, wobei in der Eindrückstellung das Abstützorgan von dem Nocken gegen die Führung zurückgedrückt ist, derart, daß in dieser Stellung eine starre dynamische Verbindung zwischen der Stange, dem Eindrückkörper und dem Vorrichtungsgestell gegeben ist. Die Detektormittel sind dabei darauf ausgelegt, die Kraftmeßdose in dem Augenblick in Gang zu setzen, in dem die Stange in Richtung auf die

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Probe zu in die Eindrückstellung verlagert wird.

Weitere besondere Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnähme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Kurvendiagramm der auf die Probe einwirkenden Eindrückkraft in Abhängigkeit der Zeit,

Fig. 2 eine schematische, teilweise vertikal geschnittene Darstellung einer Vorrichtung zur Durch

führung des Verfahrens,

Fig. 3 ein synoptisches Schema der elektronischen Anlage der Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schwingsystems, auf das die Anmeldung anwendbar ist,

Fig. 5 ein Kurvendiagramm der Transferfunktion des Schwingsystems nach Fig. 4,

Fig. 6 eine schematisierte Frontansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die wichtigsten Eigenschaften eines Materials, die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung bestimmt werden können, seien nachfolgend definiert.

Es gilt, daß mit einer periodischen Verformung eines Elementes aus Kautschuk mit der Länge 1_Q auf eine Länge 1 eine Kraft F auftritt.

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Diese Kraft F setzt sich aus zwei Komponenten zusammen :

F" : in Phase mit der Verformung γ ;

F" : zeitlich um 90 nacheilend bezüglich der Verformung ·=- ;

¹O

•γ ist die Verformung ( £ );
¹O

S_Q ist der Querschnitt des Kautschukteiles vor der Ver formung ;

S ist der Querschnitt des Kautschukelementes nach der Verformung

Nach dem Vorhergehenden kann man die beiden Module wie folgt definieren:

F ·

Elastizitätsmodul E¹ = jr=- und

Verlustmodul E" =

Um diesen Elastizitätsmodul und diesen Verlustmodul zu messen, wird erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen:

Das Material, dessen Eigenschaften bestimmt werden sollen, wird einer vorbestimmten konstanten Verformung durch Zusammendrückung oder Eindrückung unterworfen, die vorzugsweise so gewählt wird, daß die Gesamtmodifikation des Querschnittes des verformten Materials senkrecht zur Richtung der aufgebrachten Kraft F zu vernachlässigen ist.

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BEIRGOUGNAN BENELUX / / OfI

Zweckmäßigerweise wird die Kraft F lediglich auf einer Seite auf einen Abschnitt des Materials aufgebracht, beispielsweise in Form einer punktförmigen Belastung, so daß dann auf diese Weise die Globalverformung des Materials vernachlässigbar ist.

Es wird ferner generell so vorgegangen, daß die Tiefe des Eindruckes in das Material maximal 10 % der Gesamtdicke der Probe erreicht.

Es kann in einigen Anwendungsfällen wünschenswert sein, größere Verformungen aufzubringen. In diesem Fall muß man in den genannten Formeln spezielle Korrekturwerte berücksichtigen, die experimentell zu bestimmen sind und die die Art der Gesamtverformungen berücksichtigen, die auf diese Weise erzeugt werden. Dies kann beispielsweise nützlich sein, wenn die aufgebrachte Verformung auf praktisch eine ganze Seite der Probe, beispielsweise mit Hilfe einer Druckplatte, aufgebracht wird.

Des weiteren hält man die Verformung während mindestens 10 Sekunden, vorzugsweise mindestens während 15 Sekunden aufrecht und man mißt gleichzeitig die Ausbildung der Kraft F in Abhängigkeit von der Zeit, ausgehend von dem Moment Null, der demjenigen entspricht, an dem die Kraft aufgebracht wird, und dem Abfall dieser Kraft nach Erreichen der vorgenannten konstanten Verformung.

Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren von außerordentlicher Wichtigkeit, daß die Messungen der Kraftausbildung, also des Kraftverlaufes, ausgehend vom Moment Null bis zu demjenigen, an dem die Kraft erneut absinkt, äußerst sorgfältig durchgeführt -werden, damit man so präzise wie nur eben möglich das in Fig. 1 zeichnerisch dar-

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gestellte Maximum der Kurve bestimmen kann. Es ist bekannt, daß dieses absolut notwendig für die Bestimmung des Elastizitätsmoduls bei großen Frequenzen ist. Man muß daher vorzugsweise darauf achten, daß die Meßfrequenz, ausgehend vom Augenblick Null, bis über das Maximum hinaus sehr hoch ist, vorzugsweise in der Größenordnung von 50 bis 200 Messungen pro Sekunde. Mit dem Fortschreiten des Abfalles der Kraft kann die Meßfrequenz progressiv oder stufenweise ebenfalls abfallen.

Die so gemessenen Werte ermöglichen auf der Basis der in der Beschreibungseinleitung aufgeführten Formeln, sowohl den Elastizitätsmodul wie den Verlustmodul in Abhängigkeit der Frequenz, der das Material unterworfen wurde, zu berechnen.

Man kann zunächst mit den gemessenen Werten die in Fig. 1 illustrierte Kurve bestimmen. Diese entspricht somit der Funktion F(t) in der Gleichung (I). Da a und b gegebene Parameter sind, kann man somit E(t) in dieser Gleichung bestimmen.

Durch Iteration bestimmt man dann die Konstanten A, B und oC aus der Gleichung (II).

Daraufhin kann man auf der Basis der Gleichungen (IV) und (V), immer unter Berücksichtigung der gefundenen Werte für A, B und c* , den Elastizitätsmodul und den Verlustmodul in Abhängigkeit von der Frequenz errechnen, was dann durch Anwendung der Formel (III) die Berechnung von E* ermöglicht.

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Um den Einfluß des Kraftverlaufes auf die Berechnungen zu minimieren, bringt man vorzugsweise die vorstehend genannte Verformung in weniger als 0,5 Sekunden, selbst sogar in weniger als 0,1 Sekunden auf das Material auf.

Man benutzt ferner vorzugsweise einen kugelförmigen Eindrückkörper zur Erzeugung der Verformung, und zwar vorzugsweise einen solchen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 3 mm. Die Eindrucktiefe in der Probe ist dann maximal gleich dem Radius des kugelförmigen Eindrückkörpers.

Die Probe kann eine beliebige Form haben, sollte aber vorzugsweise folgenden Forderungen genügen:

die oberen und unteren Flächen der Probe sollen eben und zueinander parallel sein;

das Verhältnis zwischen der Dicke der Probe und dem Durchmesser des Eindrückkörpers sollte mindestens 5 betragen;

das Verhältnis zwischen dem kleinsten Abstand zwischen dem Rand der Probe bis zum Eindrückkörper und dem Durchmesser dieses Eindrückkörpers sollte mindestens 4 betragen.

Die Meßmethode gemäß der Erfindung ist intensiv erprobt worden für kugelförmige Eindrückkörper mit Durchmessern zwischen den vorstehend genannten Grenzen und für Kautschuke mit folgenden ermittelten Modulen:

12 -—>Ε·> 0,2 N/mm2 mm2

— mm 2

5 -— > E">0,l N/mm2

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BBRGOLIGNAN BENELUX

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Wie es aus der vorstehend erläuterten Berechnung hervorgeht, kann das erfindungsgemäße Verfahren im Prinzip auf alle visko-elastischen Materialien angewandt werden, genauer gesagt, auf vulkanisierte Materialien, deren Entspannungsmodul E(t) der Geichung (II) genügt, soweit die aufgebrachte Verformung, und zwar ebenso wie im Eindrückkörper wie im zu prüfenden Material, elastisch bleibt. Die Verformung muß nicht notwendigerweise mit einer Kugel aufgebracht werden, sondern kann auch beispielsweise mittels eines Zylinders erzeugt werden. Man kann auch eine schwache Kompression der Probe herbeiführen.

In Betracht zu ziehende Stoffe in diesem Zusammenhang sind warmhärtbare Kautschuke oder Kautschukgemische auf der Basis von natürlichem Kautschuk und sythetischem Kautschuk, beispielsweise Kautschuke auf der Basis Styrol-Butadien, Polychloropren, Nitrile, Äthylenpropylen, Butyl, thermoplastische Kautschuke, Kunststoffmassen, wie beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Polyurethan, ABS, Polyester, Epoxydharze u.dgl«

Generell gesprochen kann man dank einer Adaption des erfindungsgemäßen Verfahrens davon ausgehen, daß die vorstehend definierten Eigenschaftswerte von beliebigem Material gemessen werden können, deren Elastizitätsmodul zwischen 1000 N/mm2 und 0,2 N/mm2 liegt.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtung hat ein Gestell 1, das dynamisch sehr starr ist, mit einer Eigenfrequenz oberhalb von 2000 Hertz, derart, daß die Eigenschwingungen des Gestelles keinen Einfluß auf die Messung haben.

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Des weiteren ist ein kugelförmiger Eindrückkörper mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 3 mm vorgesehen,
der die Bezugsziffer 2 trägt und der in eine elektrische Kraftmeßdose 3 geschraubt ist, die von einer
Isolierbuchse 4 umgeben ist, um sie gegen elektrische Störeffekte und gegen Temperaturschwankungen zu schützen.

Die Kraftmeßdose 3 ist ihrerseits starr an dem freien Ende einer hohlen Stange 5 befestigt, die längs ihrer Achse um eine konstante vorbestimmte Strecke verlagerbar ist.

Die Verlagerungsstrecke der Stange 5 längs ihrer Achse ist maximal gleich dem Radius des kugelförmigen Eindrückkörpers 2.

Die Kraftmeßdose 3 beinhaltet vorzugsweise ein piezoelektrisches Element.

Die hohle Stange 5 ist gleitend in einer Führung in Form eines ortsfesten Zylinders 6 angeordnet und weist an ihrem dem Eindrückkörper 2 abgewandten Ende ein Abstütz- oder Anschlagorgan 7 auf, das vorzugsweise mittels einer Schraube 8 fest auf die Stange 5 geschraubt ist.

Zwischen diesem Abstützrogan 7 und dem entsprechenden Ende der Führung 6 ist eine Schraubfeder 13 koaxial zur Stange angeordnet. Ferner ist ein Nocken 9 vorgesehen, der um eine Drehachse 11, die etwa senkrecht zur Längsachse 10 der Stange 5 liegt, dreht und der mittels eines Kugellagers 12 auf der der Schraubfeder 13 abgewandten Seite des Abstützorganes 7 auf dieses einwirkt. Die Exzentrizität des Nockens 9 oder des Kugellagers 12 ist

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gleich der Hälfte der vorbestimmten vorstehend definierten Verlagerungsstrecke der Stange 5.

Der Nocken 9 ist fest mit einem Zapfen 14 verbunden, der koaxial zur Drehachse 11 liegt und der fest mit einem Handgriff 15 verbunden ist. Dreht man somit den Handgriff 15 um einen Winkel von 180°, kann man die Stange 5 und damit auch den Eindrückkörper 12 ausgehend von einer Ruhestellung in Richtung auf die Probe 16 verlagern, die sich unter dem Eindrückkörper 2 auf einem höheneinstellbaren Tisch 17 befindet, um den Eindrückkörper in eine Stellung zu führen, in der er in die Probe 16 eingedrückt ist.

In dieser Eindrückstellung befindet sich das Abstützorgan 7 gegen die Führung 6 angedrückt, derart, daß die Feder 13 außer Funktion gesetzt ist und eine dynamisch starre Verbindung zwischen der Stange 5, dem Ein— druckkörper 2 und dem Gestell 1 der Vorrichtung gegeben ist.

Darüber hinaus weist das Gerät noch Detektormittel auf, genauer gesagt, zwei fotoelektrische Zellen 18 und 19, vor denen sich ein Unterbrecherelement 20 verlagert, das bezüglich des Nickens 9 fest ist und das es ermöglicht, die Kraftmeßdose 3 in dem Augenblick einzuschalten, von dem ab die Stange 5 in Richtung auf die Probe 16 bis in die Eindrückstellung verlagert ist.

Die Detektormittel und die Kraftmeßdose sind durch eine elektronische Anordnung miteinander verbunden, die schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Diese elektronische Anordnung wandelt das analoge Kraftsignal, das von der

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Kraftmeßdose, wie in Fig. 1 dargestellt, gemessen wird, in numerische Form um und schickt diese numerische Information zum Speicher eines nicht dargestellten Ordinators.

Die elektronische Anordnung weist im wesentlichen einen Impulsgenerator 22 auf, der von einer 10 MHz-Uhr 21, gesteuert wird, die ihrerseits mit der fotoelektrischen Zelle 18 verbunden ist, die das Startsignal gibt. Die Verbindung zwischen letzterer und dem Generator ist durch die Linie 34 gekennzeichnet. Der Generator ist ferner mit einem Nullstellungs-Kontrollelement 23 verbunden, wie mit der Linie 35 aufgezeigt.

Der Generator 22 ist ferner an einen Decodier-Frequenzteiler 24 angekuppelt.

Im einzelnen beinhaltet die elektronische Anordnung ferner Mittel, mit deren Hilfe es möglich ist, daß die Frequenz der Umwandlung des analogen Kraftsignals in eine numerische Form nach einem Zeitintervall abnimmt, das größer ist als die Zeit, die erforderlich ist, um die Stange in die Eindrückstellung zu überführen. Wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt, ist der Zeitablauf so geschaltet, daß einem ersten Zeitintervall mit 64 Impulsen mit einer Periode von 0,01 Sekunden ein zweites Zeitintervall von 64 Impulsen mit einer Periode von 0,02 Sekunden folgt, dem wieder ein drittes Zeitintervall mit 64 Impulsen mit einer Periode von 0,04 Sekunden folgt, woran sich dann schließlich ein nicht dargestelltes viertes Zeitintervall von 64 Impulsen mit einer Periode von 0,160 Sekunden anschließen kann.

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Diese Zeitintervalle sind schematisch in Fig. 3 aufge-* führt und mit der Bezugsziffer 25 gekennzeichnet.

Mit Hilfe eines Synchronisators 26 wird bei jeder anwachsenden Impulsflanke F^, F_?....(s. Fig. 1) eine Instruktion auf einen analog-numerischen Wandler 27 gegeben. Der Wert der analogen Kraft F₁ wird ausgehend von der Kraftmeßdose 3 über einen Lastverstärker 28 auf den Eingang des analog-numerischen Wandlers 27 gegeben, in dem eine Umwandlung in analoge Signale stattfindet. Die Verbindung zwischen der Kraftmeßdose und dem Lastverstärker 28 ist durch die Linie 23 gekennzeichnet. Die Signale werden in einem Puffer 29 konserviert.

Der Lastverstärker 28 ist weiterhin von der zweiten fotoelektrischen Zelle 19 gesteuert, die den Verstärker auf seinen Ausgangszustand zurückführt, wenn der Handgriff 15 in die Eindrückstellung überführt ist. Dies ist durch die Linie 32 angezeigt. Daraufhin wird ein gesonderter Impuls, wie mit dem Pfeil 30 angegeben, erzeugt, der es dem Ordinator ermöglicht, die numerisehe Information vom Puffer in den Datenspeicher zu übernehmen.

Auf diese Weise werden 256 Meßwerte für die Kraft F insgesamt, verteilt über eine Gesamtmeßperiode von 16 Sekunden, im Datenspeicher gemäß Pfeil 31 aufbewahrt. Die Zeitintervalle, die diesen Meßwerten entsprechen, werden ausgehend von Impulsperioden der Uhr berechnet.

Die Benutzung der vorstehend beschriebenen und in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung geschieht zweckmäßig wie folgt:

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Eine Probe 16, deren Module E¹ und E" bestimmt werden sollen und die den vorstehend definierten Forderungen entspricht, wird auf den Tisch 17 gelegt. Daraufhin wird dieser Tisch in der Höhe derart eingestellt, daf5 die obere Fläche der Kurve gerade eben in Kontakt mit dem Eindrückkörper 2 kommt, der sich in seiner Ruhestellung, also in seiner oberen Stellung, befindet.

Daraufhin wird der Handgriff 15 schnell, vorzugsweise in einer Zeit in der Größenordnung von 0,02 bis 0,08 Sekunden, in einem Winkel von 180° in die Eindrückstellung gedreht, wobei der Eindrückkörper 2 dann eine vorbestimmte Tiefe in die Probe 16 eindringt. Infolge der Verschwenkung des Handgriffes 15 werden in den fotoelektrischen Zellen 18 und 19 zwei elektrische Impulse erzeugt. Diese werden benutzt, um den Impulsgenerator 22 und den Lastverstärker 28 zu betätigen, derart, daß die von dem Eindrückkörper 2 auf die Probe ausgeübte Punktlast, die in der Zeit variiert, unmittelbar registriert wird, wie grafisch in Fig. 1 aufgezeigt.

Die ermittelten Werte ermöglichen nachfolgend dank der im einzelnen vorhergehend beschriebenen Rechenmethode, die Module E¹ und E" sowie den Entspannungsmodul E zu berechnen, d.h. -also das Verhältnis zwischen der Spannung als Funktion der Zeit und der vorstehend genannten Eindrückung, die konstant aufgebracht wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich von den vorbekannten Verfahren zur Bestimmung der Module E' und E" durch die Tatsache, daß man mit einer einzigen Messung direkt diese Module in Abhängigkeit der Frequenz bestimmen kann und dieses unabhängig von der Form und der Dimension des betroffenen visko-elastischen Materials.

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Dank der sehr exakten Bestimmung im Maximum der Entspannungskurve gilt dies sogar für sehr hohe Frequenzen.

Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung mißt man eine variable Kraft für eine konstante vorbestimmte Verformung. Es ist demzufolge sehr wichtig, daß die zu diesem Zweck eingesetzte Vorrichtung im Augenblick der Eindrückung eine starre Baugesamtheit bildet und daß, vorzugsweise, am Ende der Eindrückung, irgendeine Art Anschlag vorgesehen ist, um diese mechanisch starre Verbindung der Teile zu gewährleisten. Hierdurch lassen sich dann nämlich Schwingungen des Eindrückkörpers im Verhältnis zum zu messenden Material vermeiden.

Nachstehend wird ein praktisches Beispiel einer speziellen Anwendung des Verfahrens und einer speziellen, in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung angegeben.

Es handelt sich um die Bestimmung des Elastizitätsmoduls E¹ und des Verlustmoduls E" von vier Kautschukisolatoren 39, die vorbestimmte Dimensionen haben und die dazu bestimmt sind, die Übertragung von Schwingungen eines Elektromotors 36 auf seine Umgebung, insbesondere auf den Boden 37, zu dämpfen. Der Motor steht auf einer Betonmasse 38. Die Rotationsfrequenz des Motors betrug f = 20 Hz, während das Gesamtgewicht der Betonmasse und des Motors eine Tonne betrug. Es war vorgeschrieben, daß die Betonmasse seitlich durch Kautschukisolatoren 39 gehalten werden sollte, die vorbestimmte Dimensionen hatten« Es bestand die Aufgabe, die dynamischen Kräfte, die vom Motor erzeugt wurden, um den -Faktor 3 zu reduzieren. Beim Ingangsetzen des Motors steigerte sich somit die Dreh-

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frequenz von 0 auf 20 Hz.

Um die Fluktuation der dynamischen Kräfte zu begrenzen, wurde ein Dämpfungsverhältnis mit einem Minimumwert von 0,1 angesetzt.

Die Transferfunktion des in Fig. 4 schematisch dargestellten Vibrationssystems ist in Fig. 5 aufgezeigt, also das Verhältnis zwischen der dynamischen Kraft F , die vom Motor 36 erzeugt wird, und der dynamischen Kraft F_f auf den Grund bzw. den Boden 37.

Um den gewünschten Reduktionsfaktor von 3 zu erreichen, wurde die Eigenfrequenz f des Systems Motor-Masse-Dämpfer im Bereich von 10 Hz angesiedelt.

Die vorgegebenen Dimensionen der Kautschukblöcke betrugen 200 χ 200 χ 60 mm.

Ausgehend von diesen Daten wurde der Elastizitätsmodul E¹ und der Verlustmodul E" auf der Basis folgender Formeln berechnet:

* \fZn" ^m = ¹⁰⁰° ^k9

^fr ⁼ TrV m ^fr^{= 10 Hz}

k, = dynamische Steifigkeit der Kautschukblocks bei 10 Hz

"J = 0,1 =_r-£—

crit

C = Dämpfungskonstante der Kautschukelemente ^Ccrit = 2

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LhKoOUGIJAN bLNELUX

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k_d = G' ^- und CO= G" ^

E¹ = 2(1 + V)G'

E" = 2(1 + V)G"

mit G' und G" = den entsprechenden Gleitmodulen

Co = 2iTf (f = Frequenz)

A = Anfangsfläche der Kautschukblocks (200 χ 200 mm)

h = Anfangshöhe der Kautschukblocks (60 mm)

V =0,5 (Poisson-Koeffizient)

Durch Lösen der verschiedenen entsprechenden Gleichungen gelangt man zu den folgenden Forderungen, die die Zusammensetzung des Kautschuks der Blöcke 39 erfüllen muß.
Diese Forderungen können wie folgt formuliert werden:
E· (10 Hz) = 4,44 N/mm2
E" (10 Hz) ^- 0,9 N/mm2.

Mittels der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wurden eine
Reihe von Versuchen mit verschiedenen Kautschukelementen durchgeführt, die entsprechend verschiedenen Formeln zubereitet wurden. Man hat dann eine Kautschukformel übrig behalten, die folgende Eingeschaftswerte bot:

E¹ = 4,55 N/mm2
E" = 1,1 N/mm2.

Ausgehend von dieser Kautschukzusammensetzung hat man
dann Blöcke mit den vorgegebenen genannten Dimensionen
hergestellt, und diese sind, wie in Fig. 4 illustriert,
eingesetzt worden.

Der gemessene Reduktionsfaktor erreichte 0,29, was praktisch dem zuvor vorgegebenen Wert entsprach. Diese praktischen Ergebnisse zeigen, daß die auf diese Weise berechnete und durch die Vorrichtung gernäß der Erfindung

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kontrolierte Kautschukformel den gegebenen Forderungen auf dynamischem Gebiet genügte.

In Fig. 6 ist eine weitere Einsatzmöglichkeit einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar eine solche, die speziell für Versuche an Karkassen von Autoreifen gedacht ist.

Das Besondere dieser Ausführungsform ist, daß der Raum zwischen dem Tisch 17 und dem Eindrückkörper 2, in den das Versuchsmaterial gebracht werden muß, so zugänglich wie nur möglich ist, praktisch unabhängig" von den Dimensionen und der Form der Probe. In diesem Fall kann die Probe 16 dann ein Endprodukt, beispielsweise ein Reifen, sein.

Bei Versuchen an Autoreifen kann es erwünscht sein, einen kugelförmigen Eindrückkörper 2 zu verwenden, dessen Durchmesser zwischen 0,5 und 10 mm liegt, der dann auf die Außenfläche des Reifens einwirkt.

Die konstante Eindrücktiefe kann dann zwischen 1 und 10 % der Dicke der Karkasse in Höhe der Lauffläche des Reifens betragen.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist der Eindrückkörper 2 an dem freien Ende eines Armes 40 angeordnet, der eine praktisch starre Gesamtheit mit einem vorspringenden Gestell 41 bildet, auf das der Tisch in einstellbarer Weise unterhalb des Eindrückkörpers montiert ist.

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Um die Reifen 16 in der Vorrichtung unterbringen zu können, kann der Tisch durch Schwenken aus einer vertikalen Stellung bis in eine im wesentlichen horizontale Stellung um einen Schwenkzapfen 42, wie mit Pfeil 43 gekennzeichnet, herausgeschwenkt werden.

Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise am Ende einer Produktionskette angeordnet werden und ermöglicht es dann dank eines einfachen Druckversuches, auf sehr einfache und zuverlässige Weise zu überprüfen, ob die Reifen mit der geeigneten Kautschukzusammensetzung hergestellt worden sind, ob der Zusammenhang zwischen den Stahldrähten und dem Kautschuk keinen Fehler hat und ob der Vulkanisierungsgrad der Baugesamtheit ausreichend ist.

Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung keineswegs auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und daß im Rahmen der Erfindung zahlreiche Modifikationen durchgeführt werden können.

So kann insbesondere der Mechanismus zur Aufbringung der Verformung automatisch arbeitend gestaltet werden, beispielsweise mit Hilfe von Druckluft, mit Hilfe einer elektromagnetischen Kraft (Tauchmagnet) oder auf mechanische Weise beispielsweise mit einer Feder.

Ferner kann man auch Kontraktions-Lehren anstelle eines piezo-elektrischen Elementes einsetzen, um die auf die Probe ausgeübte Kraft zu messen, insbesondere, wenn relativ große Verformungen vorgesehen sind.

In weiterer Ausgestaltung kann man auch einen Dämpfer, wie beispielsweise einen Kautschukblock, zwischen dem

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Abstützorgan 7 und der Führung 6 anordnen, um mögliche, störende Verformungen zu vermeiden, die bei einem heftigen Kontakt von Metall auf Metall auftreten könnten.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

/j 1.J Verfahren zur Bestimmung statischer und dynamischer ^^ Eigenschaften, insbesondere des Elastizitätsmoduls E¹ und des Verlustmoduls E", eines visko-elastischen Materials, dessen Entspannungsmodul E(t) der Gleichung E(t) = A + Bt" genügt, wobei E(t) der Entspannungsmodul, A, B und OC Konstanten und t die Zeit in Sekunden sind, in Abhängigkeit von der Frequenz, der das Material unterliegt, dadurch gekennzeichnet, daß man das zu prüfende Material mit Hilfe einer Kraft F einer konstanten vorbestimmten Verformung durch Druck oder Eindrückung unterzieht und man diese Verformung während mindestens 10 Sekunden, vorzugsweise während mindestens 15 Sekunden aufrechterhält und dabei die Ausbildung der Kraft F, ausgehend von einem Moment Null, entsprechend demjenigen, in dem die Kraft aufgebracht wird, und die Kraftabnahme nach Erreichen der konstanten Verformung in Abhängigkeit von der Zeit mißt und man die gesuchten Eigenschaften des Materials auf der Basis folgender Formeln bestimmt:

E(t) =

F₂(b), F (t)J

(D

mit a = Tiefe des Eindruckes

b = Dimension und Form des Eindrückkörpers oder des Probenquerschnitts

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— 2 —

ECt) = A + Bt""⁰⁴-ε* (ω) = ε« (ο) + j ε" (ω) mitcü = 2 ITf, f = Frequenz

(II) (III)

Ε« (03) =

E" (63 ) =

oc β ω

2 p (1

Γ (1 - £) Γ © + A (IV) ' 2 ' 2.

2f(l +«■)

(1 -cc)

_Γ (^

OC)

mit P= Gammafunktion.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verformung derart aufbringt, daß die Gesamtmodifikation des Querschnitts des deformierten Materials senkrecht zur Richtung der aufgebrachten Kraft F vernachlässigbar ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft F nur auf einen Teil auf einer Seite des Materials aufgebracht wird, und zwar derart, daß die Gesamtverformung des Materials vernachlässigbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft F in Form einer praktisch punktförmigen Druckbelastung aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verformung auf das Material in mindestens 0,5, vorzugsweise in mindestens 0,1 Sekunden aufbringt.

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— 3 —
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verformung mittels eines kugelförmigen Eindrückkörpers aufbringt, und zwar mit einer Eindrücktiefe, die maximal gleich dem Radius des Kugelkörpers ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines kugelförmigen Eindrückkörpers mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 mm.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Probe verwendet, deren Materialstärke mindestens gleich dem Fünffachen der maximalen Eindrücktiefe der Verformung ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Probe verwendet, die so dimensioniert ist, daß das Verhältnis zwischen dem kleinsten Abstand vom Rand der Probe bis zum Eindrückkörper und der Breite des letzteren mindestens

4 ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man Autoreifen als Proben verwendet.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kraft F in Abhängigkeit der Zeit mittels periodischer Messungen ermittelt, und zwar mit einer Meßfrequenz, die abnimmt, nachdem die konstante vorbestimmte Verformung erreicht worden ist.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Messungen beginnend mit dem Moment Null und vor Erreichen der konstanten vorbestimmten Verformung mit einer Meßfrequenz in der Größenordnung von 50 bis 200 Messungen pro Sekunde durchführt.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckkörper vorgesehen ist, der zusammen mit einer Kraftmeßdose fest mit einem Element verbunden ist, das über einen konstante vorbestimmte Wegstrecke verlagerbar ist, wobei die Kraftmeßdose die auf den Druckkörper ausgeübte Kraft in Verfolg der Verlagerung des vorgenannten Elementes in Abhängigkeit von der Zeit mißt und Detektormittel vorgesehen sind, um die Kraftmeßdose in dem Augenblick in Gang zu setzen, in dem das vorgenannte Element aus einer Ruhestellung in die Eindrückstellung überführt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkörper ein Eindrückkörper ist, der eine vorbestimmte Tiefe in das Material eindringen kann.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindrückkörper kugelförmig ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des kugelförmigen Eindrückkörpers zwischen 0,5 und 3 mm beträgt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerungsstrecke des beweg-

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lichen Elementes in Richtung auf die Probe zu maximal gleich dem Radius des kugelförmigen Eindrückkörpers ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Kraftmeßdose fest mit dem beweglichen Element verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßdose ein piezoelektrisches Element aufweist und thermisch isoliert ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element durch eine Stange gebildet ist, die gleitend in einer festen Führung geführt ist und an ihrem dem Eindrückkörper abgewandten Ende ein Stützorgan aufweist, das einerseits mit einem elastischen, zwischen der Führung und sich selbst vorgesehenen elastischen Organ und andererseits mit einem Nocken zusammenwirkt, der um eine etwa senkrecht zur Längsachse der Stange liegende Drehachse drehbar ist, dergestalt, daß er bei seiner Drehung die Stange zusammen mit dem Eindrückkörper aus einer Ruhestellung in Richtung auf die Probe bis in eine Eindrückstellung bewegt, in welch letzterer das Abstützorgan durch den Nocken gegen die Führung gedrückt ist, derart, daß in dieser Eindrückstellung eine starre dynamische Verbindung zwischen der Stange, dem Eindrückkörper und dem Vorrichtungsgestell gegeben ist, wobei ferner die Detektormittel darauf ausgelegt sind, die Kraftmeßdose in dem Augenblick einzuschalten, in dem die Stange in Richtung auf die Probe auf die Eindrückstellung zu verlagert worden ist.

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21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel mindestens eine fotoelektrische Zelle beinhalten und ein Unterbrecherelement vorgesehen ist, das vor der Zelle verlagerbar ist und das fest bezüglich des Nockens ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel und die Kraftmeßdose mittels einer elektronischen Anordnung verbunden sind, die das von der Kraftmeßdose gemessene analoge Kraftsignal in eine numerische Form umwandelt und die numerische Information auf den Speicher eines Ordinators überträgt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Anordnung Mittel aufweist, dank deren die Umwandlung des analogen Kraftsignals in eine numerische Form nach einem vorbestimmten Zeitintervall, das größer ist als die Zeit, um das bewegliche Element aus der Ruhestellung in die Eindrückstellung zu führen, mit absinkender Frequenz geschieht.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken ein Kugellager aufweist, das exzentrisch bezüglich seiner Drehachse angeordnet ist und dessen Exzentrizität annähernd der Hälfte der konstanten vorbestimmten Verlagerungsstrecke der Stange entspricht.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen einstellbaren Tisch aufweist, auf dem die Probe anzuordnen ist und mit dem die Probe gegen den Eindrückkörper bewegbar ist, bevor letzterer in die Probe stößt.

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26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindrückkörper am freien Ende eines Armes angeordnet ist, der eine praktisch starre Gesamtheit mit einem vorspringenden Gestell bildet, auf dem der Tisch einstellbar unterhalb des Eindrückkörpers angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch durch Verschwenken nach außen unterhalb des Eindrückkörpers fortbewegbar ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verlagerung des Eindrückkörpers ein Handgriff vorgesehen ist.

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