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Schlagwerk zur Werkstoffprüfung
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Die Erfindung betrifft ein Schlagwerk zur WerkstoffprU-fung mit einer
Anordnung zur Messung des zeitlichen Verlaufs der vorn einer Sohlagmasse auf eine
Probe ausgeübten Kraft, wobei ein mit der Schlagmasse fest verbundenes, in Bewegungsrichtung
der Schlagmasse Weginkremente bildendes Raster und eine das Raster abtastende Anordnung
zur Erfassung der von der Schlagmasse zum Durchlaufen der Weginkremente benötigten
Zeitintervalle vorgesehen sind.
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In der Werkstoffprüfung ist man seit langem darum benicht, außer den
in quasistatischen Versuchen ermittelt ten Materialeigenschaften wie Zugfestigkeit,
Streckgrenze, Bruchdehnung oder auch Härte zusätzliche Kenngrößen bei hoher, d.
h. schlagartiger Beanspruchung von geeignet geformten Probekörpern zu erhalten.
Hierzu dient vor allem die Schlagbiegeprüfung und die Schlagzugprfifung, Zur Durchführung
dieser Prüfungen dienen insbes. Pendelschlagwerke, die den Vorzug aufweisen, daß
das Pendel in den Punkten maximaler Pendelauslenkung nur potientelle Energie besitzt,
eo daß die von dem Probekörper
beim Schlag aufgenommene Arbeit
recht einfach aus der Differenz der Jeweils maximalen Pendelhöhe vor und nach dem
Schlag ermittelt werden kann. Die ebenfalls bekannten Fallwerke sind für diese Untersuchungen
weniger geeignet, da eine Messung der von der Probe aufgenommenen Arbeit in der
eben beschriebenen, einfachen Weise nicht möglich ist.
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Weiterreichende Informationen zu den Materialkenngrößen erhält man,
indem man nicht die beim Schlag von der Probe aufgenommene Arbeit pauschal bestimmt,
sondern die von der Schlagmasse auf die Probe wirkende Kraft in Abhängigkeit von
der. Probenverformung mißt.
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Die von der Probe aufgenommene Arbeit ät sich dabei durch Integration
des Kraft-Weg-Diagramms ermitteln.
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Zur Messung der Kraft während des Schlagvorganges, der in der Größenordnung
von einer Millisekunde abläuft, haben sich im wesentlichen zwei Verfahren durchgesetzt:
a) Die zu messende Kraft erzeugt in einem geeigneten Meßumformer eine mit dieser
eindeutig korrelierte, zweckmäßigerweise proportionale elektrische Spannung, die
aufgezeichnet und weiter verarbeitet werden kann.
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In Jüngster Zeit ist bevorzugt nach diesem Verfahren gemessen worden,
wobei als Meßumformer Dehnungsmessstreifen oder auch piezoelektrische Wandler (Quarzkristall)
eingesetzt wurden, die die Kraft entweder an den Probewiderlagern oder an der Finne
der Schlagmasse bestimmen.
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b) Die Kraftaufnahme erfolgt über die messtechnisch wesentlich einfachere
Wegaufnahme, in dem das Weg-Zeit-Verhalten der Schlagmasse aufgenommen, daraus die
3eweilige
Beschleunigung (Verzögerung) ermittelt und aus Beschleunigung
(Verzögerung) und Masse der Schlagmasse die Jeweilige Schlagkraft gemäß dem Grundgesetz
der Dynamik, daß die Kraft gleich dem Produkt aus Masse und Beschleunigung ist,
ermittelt wird. Dieses Verfahren ist z. B. in der Literaturstelle Mitt. a. d. K.
-W. Inst. f. Eisenforschung 7 (1925), S. 81 bis 97 beschrieben. Eine verbesserte
Anordnung zur Messung nach diesem Verfahren ist bekannt aus der deutschen Auslegeschrift
28 35 201.
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Entscheidend bei beiden Meßverfahren ist, daß kurz vor, während und
nach dem Schlag keine m dr Ahw3Rrat h3rilhrende nennenswerte Kraftkomponenten in
Bewegungsrichtung der Schlagmasse wirken, deren Einfluß das Meßergebnis verfälschen
und eine Rückrechnung außerordentlich erschweren, wenn nicht sogar unmöglich machen
wAnSn.Bei Pendelschlagwerken ist diese Voraussetzung erfüllt, da der Schlag in der
senkrechten Pendellage erfolgt, in der die Bewegung horizontal verläuft und daher
die Schwerkraft orthogonal zur Bewegungsrichtung angreift. Bei Fallwerken ist dagegen
die Schwerkraft der von der Probe auf die Schlagmasse ausgeübten Kraftkomponente
gleichgerichtet überlagert. Daher sind Fallwerke für diese Meßverfahren weniger
oder nicht geeignet.
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Bei Schlagprüfungen mit Hilfe eines Pendelschlagwerkes tritt aber
die Schwierigkeit auf, daß die Meßkurve in den Kraft-Weg-Diagrammen stets von starken
Schwingungen überlagert ist (G-I-T Fachzeitschrift für das Laboratorium, 20. Jg.,
Oktober 1976, S. 1067 bis 1074 oder auch MaterialprUfung Bd. 23 (1981), S. 129 bis
133).
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Dabei handelt es sich offenbar nicht um Schwingungen
in
der Nachweis- und Registrierelektronik des Schalgwerkes, sondern um mechanische
Schwingungen im Pendel. In den Erläuterungen zur DIN-Norm 51 222 in der Ausgabe
vom Jan. 1979 wird darauf hingewiesen, daß die Pendelstange beim Schlag zu Biegeschwingungen
in Schlagrichtung angeregt wird. Dies rUhrt vor allem daher, daß bei einem normgerecht
gebauten Pendelschlagwerk zwar der Stößmittelpunkt des Pendels mit der Schlagstelle
zusammenfällt, nicht Jedoch der Pendelschwerpunkt. Zusätzlich können noch seitliche
Biegeschwingungen sowie Torsionsschwingungen um die Pendellängsachse angeregt werden.
Diese Schwingungsmoden nehmen Energie aus der Schlagmasse auf und klingen, im allgemeinen
durch Werkstoffdämpfung, langsam mit der Zeit ab. Dadurch wird die Kraftmessung
von der Schwingung nicht nur überlagert, sondern darüber hinaus in ihrer Absolutgröße
verfälscht.
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Der schwingungsbedingte Einfluß kann sehr erheblich sein, wenn man
bedenkt, daß bei üblichem Versuchsaufbau das Verhältnis von Gewichtskraft zur Schlagkraft
des Pendels bei etwa 1 zu 100 liegt. Daher ist es praktisch unmöglich, mit dem Pendelschlagwerk
schwingungsfrei zu messen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schlagwerk der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß unter Beibehaltung der Vorteile eines Pendelschlagwerkes,
nämlich daß an der Schlagmasse kurz vor, während und unmittelbar nach dem Schlag
nur von der Probe herrührende und in Bewegungsrichtung der Schlagmasse liegende
Kraftkomponenten angreifen, dennoch die Kraftmessung nicht durch Schwingungsanregungen
erschwert oder verfälscht werden kann.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß für die
Schlagmasse eine Führung vorgesehen ist, in der die Schlagmasse nur längs einer
geradlinigen horizontalen oder geringfügig gegen die Horizontale' geneigten
Bahn
verschiebbar ist, wobei die Führung sich zwischen einem zur Beschleunigung der Schlagmasse
auf eine für den Schlag gewünschte Geschwindigkeit vorgesehenen Katapultwerk einerseits
und der Probe andererseits erstreckt und die beiden Resultierenden der die Schlagmasse
beschleunigenden bzw. verzögernden, von dem Katapultwerk bzw. der Probe auf die
Schlagmasse ausgeübten Kräfte in Angriffspunkten an der Schlagmasse angreifçn, die
mit dem Schwerpunkt der Schlagmasse in einer runrungsriehtung parallelen Geraden
liegen. Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß zwar wie beim
Pendelschlagwerk die Schwerkraft während der gesamten Messung keinen Einfluß auf
den Bewegungsablauf der Schlagmasse nehmen kann, daß Jedoch im Vergleich zum Pendischlagwerk
die Schlagmasse in der beliebig kraftsteif gestaltbaren geraden Führung in Schlagrichtung
frei beweglich ist, also keiner ihrerseits schwingungsfähigen Gebilde wie Pendel
arm oder dergl. bedarf. Darüber hinaus liegen die Angriffpunkte der die Schlagmasse
beschleunigenden oder verzögernden Kräfte in einer Geraden mit dem Schwerpunkt der
Schlagmasse, so daß Biege- oder Torsionsschwingungen gar nicht erst angeregt werden
können. Das für den Schlag verfügbare Arbeitsvermögen kann entweder über eine Veränderung
der Schlaggeschwindigkeit oder bei fest gewählter Geschwindigkeit der Schlagmasse
durch Anbringung von Zusatzmassen an der Schlagmasse dem Versuchszweck angepaßt
werden.
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Im einzelnen kann die Schlagmasse als Schlagwagen mit Rollen ausgebildet
sein, die in-Nuten der Führung laufen. Dann empfiehlt es sich, daß die Nuten keilförmigen
Querschnitt aufweisen und die Rollen den Keilflanken in Jeweils nur zwei sich gegenüber
liegenden Punkten anliegen, so
daß die Reibung zwischen den Nutwänden
und den Rollen gering ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die
Schlagmasse stabförmig ausgebildet und formschlUssi,g in einer hydro- oder aerostatischen
Führung nahezu reibungsfrei verschiebbar. Bei einer Führung mit einer geringfügig
gegen die Horizontale geneigten Bahn fällt diese zweckmäßigerweise vom Katapultwerk
zur Probe hin ab. Die dadurch als X>mponente der Schwerkraft entstehende geringe
Hangabtriebskraft kann Reibungsverluste der Schlagmasse in ihrer Führung kompensieren.
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Das die Schlagmasse vor dem Schlagversuch beschleunigende Kraftglied
des Katapultwerkes ist zweckmäßigerweise als pneumatisch oder hydraulisch betätigte
Zylinder-Kolben-Anordnung, als spannbare Feder, als hoch beschleunigbarer Elektromotor,
insbes. auch als Linearmotor,. oder als Elektromagnet mit im Magnetfeld beschleunigbarem
Anker ausgebildet. Zur Abbremsung der Schlagmasse nach dem Schlag sind zweckmäßig
Stoßdämpfer vorgesehen. Zur RUckführung der Schlagmasse nach dem Schlag in die Ausgangsstellung
am Katapultwerk kann eine Rückholvorrichtung vorgesehen sein, die einen an der Schlagmasse
angreifenden, durch das Kraftglied des Katapultwerkes oder durch einen selbständigen
Antrieb verstellbaren Rückholmagneten .aufweist. Eine weitere, bevorzugte Ausbildung
der Rückholvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Führung eine.in Führungsrichtung
zur Führungsachse neigbare Schiene aufweist, der eine an der Schlagmasse an einem
schwenkbaren Arm gelagerte Rolle unter der Kraft einer Feder anliegt. Dabei kann
die Rolle eine der Führungsrollen sein und die durch ein Stellglied betätigbare
Schiene eine der Führungsnuten aufweisen. Für Schlagzugversuche ist die Schlagmasse
an dem erz Probe zugekehrten Ende zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß sie eine
die Probe über deren Länge aufnehmende und zusätzlich die Länge des Schlagweges
besitzende Aussparung aufweist.
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Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen in zum Teil nur schematischer Darstellung-:
Fig. 1 eine Seitenansicht des Schlagwerks nach der Erfindung, wobei die Schlagmasse
als Schlagwagen ausgebildet ist, Fig. 2 einen Schnitt entlang II - II durch das
Schlagwerk nach Fig. 1, Fig..3 eine Seitenansicht des Schlagwerks ähnlich Fig. 1,
jedoch mit einer anders ausgebildeten Rückholvorrichtung verstehen, Fig. 4 eine
Draufsicht auf ein Schlagwerk nach der Erfindung mit einer stabförmig ausgebildeten
Schlagmasse, teilweise im Schnitt dargestellt, -Fig. 5 einen Schnitt durch die Führung
mit prismatischen Querschnitt aufweisender Schlagmasse, Fig.'6 einen Schnitt durch
die Führung mit kreisförmigen Querschnitt aufweisender Schlagmasse, Fig. 7 einen
Teil des Schlagwerks nach Fig. 4, jedoch eingerichtet zur Durchführung von Schlagzugversuchen,
Fig. 8 einen Schnitt entlang VIII - VIII durch den in Fig. 7 dargestellten Teil
des Schlagwerks.
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Das in der Zeichnung dargestellte Schlagwerk besteht seinem wesentlichen
Aufbau nach aus einem Widerlager 6, mit einer daran befestigten Probe 1, einer in
einer Führung 4 längs einer geradlinigen Bahn verschiebbaren
Schlagmasse
7 sowie einem Katapultwerk 5 zur Beschleunigung der Schlagmasse 7 auf die für den
Schlag gewünschte Geschwindigkeit. In den Fig. 1 bis 3 ist die Schlagmasse 7 als
Schlagwagen ausgebildet, dessen Rollen 3 in keilförmig ausgebildeten Nuten 12 der
Führung 4 laufen, wobei die Rollen 3 den Keilflanken nur in zwei stich gegenüber
liegenden Punkten 33 anliegen. Die Formgebung der Schlagmasse 7 sowie die räumliche
Anordnung des Widerlagers 6 milder Probe 1, der Schlagmasse 7 und des Katapultwerkes
5 zueinander gewährleisten, daß die von dem Katapultwerk 5 bzw. der Probe 1 auf
die Schlagmasse 7 wirkenden Kräfte in Angriffspunkten 13 und 14 an der Schlagmasse
7 angreifen, die mit dem Schwerpunkt 15 der Schlagmasse 7 in einer zur Führungsrichtung
parallelen Geraden 8 liegen. Zur Messung der Geschwindigkeit der Schlagmasse 7 vor,
während und nach dem Schlag ist diese mit einem Weginkremente bildenden Raster 10
versehen, das von einer z. B. optisch als Lesekopf arbeitenden Anordnung 9 abgetastet
wird. Zur Rückholung der Schlagmasse 7 nach dem Schlag ist am Katapultwerk 5 ein
Magnet 11 vorgesehen. Eine weitere Ausführungsform einer Rückholvorrichtung ist
in Fig. 3 dargestellt. Diese wird aus einer in Ftt.hrungsrichtung zur Führungsachse
neigbaren Schiene 16 gebildet, die mit einer nicht gezeichneten Stellvorrichtung
um die Achse 35 schwenkbar ist und der eine an der Schlagmasse 7 an einem schwenkbaren
Arm 17 gelagerte Rolle 34 unter der Kraft einer Feder 18 anliegt. In dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 3 ist es eine der Führungsrollen 3, die die Rückführung der Schlagmasse
7 zum Katapultwerk 5 hin mittels der von der Feder 18 herrührenden, in Richtung
der Schiene wirkenden Kraftkomponente bewirkt. Dazu weist die Schiene 16 eine der
Führungsnuten 12 auf. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung
mit einer stabförmig ausgebildeten Schlagmasse. Die Schlagmasse 7 ist in einer hydro-
oder
aerostatischen Führung 4 nahezu reibungsfrei verschiebbar;
das zum Druckaufbau notwendige Aggregat ist in der Fig. 4 nicht dargestellt. Entsprechend
Fig. 1 weist das Schlagwerk ein Widerlager 6 und ein Katapultwerk auf, dessen Kraftglied
aus einem hochbeschleunigbaren Elektro-.motor 19 besteht. Die tfbertragung der Motorkraftaif
die Schlagmasse 7 erfolgt über zwei auf der Motorwelle 20 sitzende, mit in Kugelbüchsen
21 gelagerten Zahnstangentrieben 22 in Eingriff stehende Zahnräder 23. Beide Zahnstangentriebe
22 sind über einen Holm 24 miteinander verbunden, der während der Beschleunigungsphase
der' Schlagmasse 7 kraftschlüssig an dem Querjoch 25 der Schlagmasse 7 anliegt.
Der Holm 24 ist wieder mit einem.Magneten 11 versehen, der die Rückholung der Schlagmasse
7 nach dem Schlag ermöglicht. Zur Abbremsung der Schlagmasse 7 nach dem Schlag dienen
Stoßdämpfer 26, die über das Querjoch 25 der Schlagmasse 7 mit Kraft beaufschlagt
werden. In den Fig. 5 und 6 weist die Führung 4 Lufteintrittskanäle 27 auf, in die
Düsen 28 eingesetzt sind, durch welche komprimierte Luft in den Lagerspalt 29 zum
Zwecke einer aerostatischen Führung der Schlagmasse 7 einströmt. Eine dem Aufbau
der big. 4 ähnliche, jedoch zur Durchführung von Schlagzugversuchen geeignete Anordnung
ist in den Fig. 7 und 8 in einer nur teilweisen Darstellung zu sehen. Die Probe
1 ist eingespannt zwischen einem Querjoch 30 einerseits und dem gegenüber der Schlagmasse
7 und dem Querjoch 30 festen Probenhalter 31 andererseits. Die Schlagmasse 7 ist
mit einer Aussparung 32 versehen, die die Probe 1 in sich aufnimmt, so daß beim
Schlag mittels der von der Stirnfläche 2 der Schlagmasse 7 auf das Querjoch 30 wirkenden
Kraft die Probe 1 einer Zugbelastung ausgesetzt ist.
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