DE3636252A1 - Teilbarer spannkopf mit integriertem dms-kraftaufnehmer zum spannen von zugproben - Google Patents
Teilbarer spannkopf mit integriertem dms-kraftaufnehmer zum spannen von zugprobenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen teilbaren Spannkopf für Zug
proben mit integriertem Dehnmeßstreifen-Kraftaufnehmer nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Werkstoffprüfung beim Zugversuch wird neben anderen
Kenngrößen die in der Zugprobe auftretende Zugspannung be
stimmt, indem die wirkende Gesamtzugkraft durch den Proben
querschnitt dividiert wird, ausführlich beschrieben in DIN
53 455. Die wirkende Gesamtzugkraft wird heute üblicherweise
mit Sensoren gemessen, in denen die eingeleitete Kraft in
ein elektrisches Signal umgeformt wird, das der eingeleiteten
Kraft proportional ist. Hauptsächlich verwendet werden Kraft
aufnehmer, die mit Dehnmeßstreifen (DMS) bestückt sind, oder
Quarzkristall-Kraftaufnehmer, wobei die letzteren vor allem
bei schnell ablaufenden Vorgängen eingesetzt werden.
Während nun bei langsamen Zuggeschwindigkeiten wie z. B. bei
einer Prüfung nach DIN 53 455, die Masse des Kraftaufnehmers
und die Masse des Spannkopfs mit zwischen Spannkopf und
Kraftaufnehmer liegendem Gestänge, sowie der Abstand zwischen
Probenschulter und Kraftaufnehmer relativ unkritisch sind,
ist dies bei hohen Zuggeschwindigkeiten im folgenden Schlag
zugversuch genannt, völlig anders.
Kürzester Abstand und geringsmögliche Masse zwischen Proben
schulter und Kraftsensor und damt eine möglichst hohe Eigen
frequenz des Systems Spannkopf-Verbindung-Kraftsensor sind
Voraussetzung für genaue Zugkraftmessungen bei hohen Abzug
geschwindigkeiten.
Die möglichen Grenzen sind dabei durch die Probenabmessungen
vorgegeben. Bei Schlagzugversuchen an Kunststoffen, vorzugs
weise Thermoplasten, werden vielfach Schulterstäbe mit Recht
eckquerschnitt verwendet, die der Norm Zugversuch DIN 53 455,
Probenkörper Nr. 3, entsprechen, um vergleichbare Werte
zwischen Zugversuch DIN 53 455 und dem Schlagzugversuch zu er
halten.
Zwar ist es möglich, wie in einem von Stefan Delp, Firma Röhm
und Haas, beschriebenen Verfahren einen extrudierten Kunst
stoffdaten von 1,5 mm Durchmesser als Probe zu benutzen, und
damit auf sehr kleine Probenquerschnitte und eine sehr kleine
Masse von Spannkopf und Kraftsensor zu kommen, jedoch stehen
Probenherstellung und Probenform einer allgemeinen Verwendung
entgegen.
Die Schulter des Probenkörpers Nr. 3, DIN 43 455, (im folgenden
Schulterstab genannt) ist 20 mm breit, die Einspannlänge be
trägt ca. 20 mm, die Probendicke ist vorzugsweise 4 mm, jedoch
können auch andere Dicken vorkommen. Damit ist die kleinst
mögliche Größe des Spannkopfs weitgehend vorgegeben.
Üblicherweise wird nun beim Schlagzugversuch direkt hinter
dem möglichst leicht gehaltenen Spannkopf der Kraftsensor
angeordnet, z. B. ein Quarzkristall-Kraftaufnehmer in Form
einer dicken Unterlagscheibe, wie auch bei dem erwähnten
Verfahren von Stefan Delp.
Während die kleinen Abmessungen der Proben von Stefan Delp
nun einen sehr kleinen und leichten Spannkopf zulassen, ist
der Spannkopf für einen Schulterstab, auch bedingt durch die
beim Schulterstab auftretenden wesentlich höheren Kräfte auf
Grund des größeren Probenquerschnitts, zwangsläufig wesentlich
schwerer, und begrenzt damit auch bei einem direkt hinter
dem Spannkopf liegenden kleinen und leichten Kraftsensor den
Einsatzbereich dieses Systems.
Beim Schlagzugversuch ist es vorteilhaft, wenn der Kraft
sensor möglichst nahe an den Probe spannenden Spannflächen
im Spannkopf angeordnet ist. Voraussetzung ist, daß nahe
dieser Spannflächen in Teilen des Spannkopfs Zonen vorhanden
sind, in denen reibungsfrei Zug- und/oder Druckspannungen
entstehen können, die der an der Probe wirkenden Zugkraft
proportional sind und die ein Befestigen von Dehnmeßstreifen
gestatten. Da der Schlagzugversuch an Kunststoffen vor allem
temperiert interessant ist, soll der Spannkopf teilbar sein
und die die Probe spanenden Teile sollen außerhalb der Prüf
maschine an die Probe gespannt, und die Probe samt den Spann
kopfteilen ohne Werkzeug schnell in der Temperierkammer der
Prüfmaschine montiert und demontiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst, wobei der steckbare Bolzen die Forderung
nach einer Teilbarkeit des Spannkopfs erfüllt.
Weitere vorteilhafte Merkmale des Spannkopfs sind durch die
Unteransprüche 2 bis 4 gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß
der Kraftsensor in den Spannkopf integriert und nahe den
Spannflächen, die die Probe spannen, angeordnet ist. Des
weiteren ist der Spannkopf teilbar. Die mit den Spannflächen
versehenen Andruckplatten des Spannkopfs können außerhalb der
Prüfmaschine in einer Vorrichtung an die Probe gespannt und
mittels eines Steckvorgangs an den anderen Teil des Spann
kopfs, den Träger, der mit der Prüfmaschine verbunden ist,
montiert oder demontiert werden. Da, was ein weiterer Vor
teil ist, die Andruckplatten im Vergleich zur Steifigkeit der
Proben sehr leicht sind, kann die Probe mit angespannten An
druckplatten problemlos manipuliert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar
gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 die Vorderansicht des Spannkopfs.
Fig. 2 die Seitenansicht des Spannkopfs.
Fig. 3 den Schnitt B-B.
Fig. 4 eine Ausführung mit runden Bolzen (3).
Mit einem Träger (2), welcher z. B. mit der hier dargestellten
Schraubverbindung (10) oder einer sonst bekannten geeigneten
Schraub-, Steck- oder Klemmverbindung mit dem Prüfmaschinen
rahmen (11) verbunden ist, sind mittels des steckbaren Bolzens
(3) die Andruckplatten (1) formschlüssig verbunden, Fig. 1
bis 3. Die Andruckplatten (1) sind auswechselbar zum Anpassen
an unterschiedliche Probenabmessungen. Zwischen die Spann
flächen (12) der Andruckplatten (1) ist mittels der Schraube
(13) die Schulter (14) der Probe (7) kraftschlüssig gespannt.
Da der Bolzen (3), oben (16) und unten (17) mit Schiebesitz
in den Andruckplatten (1) und dem Träger (2) geführt ist,
und seitlich durch den Spalt (4) frei ist, entstehen durch
das Anziehen der Schraube (13) keine Spannungen in dem
Bolzen (3), d. h. nach Beenden des Anziehvorgangs und vor
Beginn der Probenbelastung mit der Prüfkraft (F) ist der
Bolzen (3) und die Zonen (5 ) des Trägers (2) und die Zonen
(6) der Andruckplatten (1) spannungsfrei.
Wird nun in die Probe (7) eine Zugkraft (F) eingeleitet,
entsteht aus der Schulter (14) ein Kraftfluß über die Zonen
(6) der Andruckplatten (1), den Bolzen (3), die Zonen (5)
des Trägers (2) und den Träger (2) in den Prüfmaschinen
rahmen (11). Dabei entstehen in den Zonen (6) der Andruck
platten (1) und den Zonen (5) des Trägers (2) Zugspannungen
die der Zugkraft (F) proportional sind. Da seitlich von dem
Bolzen (3) der Spalt (4) zu den Andruckplatten (1) und dem
Träger ( 2) vorgesehen ist, sind die in den Zonen (5) und (6)
entstehenden Zugspannungen von keiner Reibung überlagert, wie
es der Fall wäre, wenn der Bolzen (3) die Zonen (5) und (6)
berühren würde. Wäre ein Kontakt und damit eine Reibung
zwischen dem Bolzen (3) und den Zonen (5) und (6) vorhanden,
könnten sich diese unter dem Einfluß der Zugkraft (F) nicht
ungehindert dehnen, die Dehnung wäre nicht linear und zwischen
Belastung und Entlastung entstände eine untragbare Hysterese.
Werden nun nach Anspruch 2 in den Zonen (5) des Trägers (2)
DMS (2) befestigt, Fig. 2, z. B. durch einen handelsüblichen
DMS-Kleber und die DMS (8) in bekannter Weise zu einer Brücke
verschaltet, bilden die Zonen (5) des Trägers (2) zusammen
mit den DMS (8) einen in den Spannkopf integrierten Kraft
sensor entsprechend Anspruch 1 und 2, dessen Ausgangs
signal (beim Anlegen einer Speisespannung an die Brücke
in bekannter Weise) der in der Probe (7) wirkenden Zugkraft
(F) proportional ist.
Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist, daß der Kraftsensor
Bestandteil des fest mit dem Prüfmaschinenrahmen (11) ver
bundenen Teil des Spannkopfs, des Trägers (2) ist, und damit
eine problemlose Leitungsführung von der DMS-Brücke zum Meß
verstärker möglich ist.
Werden in den Zonen (6) der Andruckplatten (1) DMS (9) be
festigt, Fig. 2, und zu einer Brücke verschaltet, bilden die
Zonen (6) der Andruckplatten (1) zusammen mit den DMS (9)
einen weiteren in den Spannkopf integrierten Kraftsensor
entsprechend Anspruch 1 und 3. Vorteilhaft bei dieser
Ausführung ist, daß der Kraftsensor den kleinstmöglichen
Abstand zu den Spannflächen (12) hat, den die beschriebene
Konstruktion zuläßt, d. h. die zu beschleunigende Masse
zwischen den Spannflächen (12) und dem Kraftsensor in den
Zonen (6) besitzt den kleinstmöglichen Wert.
Da nicht gewährleistet ist, daß die Zugkraft (F) immer gleich
mäßig anteilig auf die 4 Zonen (6), Fig. 3, der beiden An
druckplatten (1) verteilt ist (z. B. nicht sauber fluchten
des Einspannen der Probe zur Maschinenachse), ist es vor
teilhaft in allen 4 Zonen (6) DMS (9) in gleicher Art an
zubringen und gleichgerichtete DMS von 2 diagonal gegenüber
liegenden Zonen (6) zu einem Brückenzweig durch Serien
schaltung zusammenzufassen, eine kompensierte Schaltung
die dem Fachmann bekannt ist.
Für den beschriebenen und mit rechteckigem Querschnitt dar
gestellten Bolzen (3) sind natürlich noch andere Quer
schnittsformen denkbar, die die erfindungsgemäße Funktion er
füllen. Beispielsweise kann ein runder Bolzen (3) in runde
Durchbrüche der Andruckplatten (1) und des Trägers (2) ge
steckt sein, Fig. 4, und der Bolzen (3) mit seitlichen Ab
flachungen (15) versehen sein, so daß wieder seitlich zu
den Zonen (6) ein Spalt (4) entsteht, was auch für die hier
nicht dargestellten Zonen (5) des Trägers (2) gilt.
Entscheidend ist, daß in den Zonen um den Bolzen (3), die
an dem Kraftkontakt von den Andruckplatten (1) in den
Bolzen (3) und von Bolzen (3) in den Träger (2) nicht
(seitlich von Bolzen (3) bei rechteckigem Querschnitt Fig. 1)
oder nur zum geringen Teil (seitlich vom Bolzen (3) bei
rundem Querschnitt, Fig. 4) beteiligt sind, reibungsfrei
Zugspannungen proportional der Zugkraft (F) entstehen können,
hier gewährleistet durch den Spalt (4), und diese Zonen so
dimensioniert sind, daß darin DMS befestigt werden können
und diese DMS mit diesen Zonen einen in den Spannkopf in
tegrierten Kraftsensor ergeben.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion ist,
daß der Spannkopf durch den steckbaren Bolzen (3) teilbar
ist. Dadurch können die beiden Andruckplatten (1) ent
sprechend Anspruch 4 außerhalb der Prüfmaschine in einer
Vorrichtung an die Probe (7) gespannt werden, und danach die
Probe (7) mit den Andruckplatten (1) durch einen einfachen
Steckvorgang an den Träger (2) und damit in die Prüfmaschine
montiert oder demontiert werden. Für diese Art der Montage
werden zweckmäßig an beiden Enden der Probe Spannköpfe
der beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführung verwendet,
wobei der Spannkopf über den die Zugkraft in die Probe ein
geleitet wird keinen Sensor haben muß. Es sind Prüfmaschinen
bekannt, bei denen die Probe außerhalb der Prüfmaschine in
einer Vorrichtung mit den Spannköpfen verbunden wird, und
dann durch Stecken in die Prüfmaschine montiert wird.
Firma Zwick, Ulm, hat das Institut für Kunststoffprüfung
und Kunststoffkunde der Universität Stuttgart eine Prüfan
lage für den Zeitstand-Zugversuch geliefert, bei der dies
der Fall ist.
Allerdings werden hier die Proben oben und unten mit den
kompletten Spannköpfen und daran angebauten Teilen des Ge
hänges verbunden und der Steckvorgang erfolgt außerhalb des
nicht teilbaren Spannkopfs. Nachteilig bei der Konstruktion
von der Firma Zwick ist, daß die Spannköpfe mit angebauten
Gehängeteilen schwer sind im Vergleich zur Steifigkeit der
Probe. Beim Ausbau der mit den Spannköpfen verbundenen Probe
aus der Vorrichtung, Transport zur Anlage und Einbau in die
Anlage, läßt es sich kaum vermeiden, daß die Probe gebogen
wird, was unter Umständen zu einer Schädigung der Probe
führt. Diesen Nachteil vermeidet die erfindungsgemäße Kon
struktion nach Anspruch 4. Da hier der Spannkopf geteilt ist
und an die Probe außerhalb der Prüfmaschine nur die An
druckplatten angeklemmt werden, die im Vergleich zur Steifig
keit der Probe extrem leicht sind, ist eine Schädigung der
Probe bei der Entnahme aus der Vorrichtung und Montage in
die Prüfmaschine ausgeschlossen.
Das in Fig. 1 bis 4 dargestellte Spannen der Probe (7) mit
der zentralen, durch die Schulter (14) gehenden Schraube
(13), entspricht nicht der üblichen Form des Spannens von
Schulterstäben, ist jedoch vorteilhaft, da dadurch eine
weitere Reduzierung des Spannkopfgewichts möglich ist. Da
die in der Schulter (14) wirkenden Zugspannungen sich im
wesentlichen im Bereich der Strecke (S), Fig. 2, abbauen,
ist ein stärkeres Kriechen der Schulter (14) zwischen den
Spannflächen (12) als beim üblichen Spannen nicht zu er
warten, sofern der Spannvorgang sorgfältig vorgenommen wird.
Dabei ist die Möglichkeit, durch den teilbaren Spannkopf
nach Anspruch 4, die Andruckplatten (1) außerhalb der
Prüfmaschine in einer Vorrichtung an die Probe (7) zu
spannen, außerordentlich hilfreich.
Zum Beispiel kann mit einem Drehmomentschlüssel die Spann
kraft der Schraube (13) reproduzierbar der Festigkeit unter
schiedlicher Werkstoffe angepaßt werden. Beim Spannen in
sehr heißen oder sehr kalten, oftmals engen Temperier
kammern wird erfahrungsgemäß und verständlicherweise nicht
so sorgfältig gearbeitet, so daß in der Regel die wirkende
Spannkraft unbekannt ist.
Selbstverständlich kann der Spannkopf nach Fig. 1 bis 4 auch
mit Andruckplatten ausgestattet werden, bei denen 2 oder
4 Schrauben seitlich der Probenschulter (14) angeordnet sind,
ohne daß dadurch die erfindungsgemäße Funktion des Spannkopfs
beeinflußt wird.
Claims (4)
1. Teilbarer Spannkopf mit integriertem DMS-Kraftaufnehmer,
zum Spannen von Zugproben in Zugprüfmaschinen oder Pendel
schlagwerken oder sonstigen Prüfmaschinen, die eine hohe
Belastungsgeschwindigkeit im Zugversuch erzeugen, mit
auswechselbaren Andruckplatten zum Anpassen an unterschied
liche Probenabmessungen, zwischen die das Ende oder die
Schulter der Zugprobe geklemmt wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß die beiden Andruckplatten
(1) mit dem Träger (2) durch den steckbaren Bolzen (3)
verbunden sind. Fig. 1-3, und der Bolzen (3) oben (16)
und unten (17) mit Schiebesitz und seitlich mit dem Spalt
(4) in dem Träger (2) und den Andruckplatten (1) geführt
ist, und durch diesen Spalt (4) seitlich von dem Bolzen (3)
in dem Träger (2) die mit strichpunktierten Linien einge
grenzten und zum Befestigen von Dehnmeßstreifen geeig
neten Zonen (5) und in den Andruckplatten (1) die gleich
artigen Zonen (6) vorhanden sind, in denen beim Belasten
des Bolzens (3) durch Belasten der Probe (7) mit der Zug
kraft (F) proportionale Zugspannungen ent
stehen, und diese Zugspannungen durch den Spalt (4) zwischen
Bolzen (3) und Träger (2) bzw. Andruckplatten (1) von keiner
Reibung überlagert sind.
2. Teilbarer Spannkopf für Zugproben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in den
Zonen (5) des Trägers (2) Dehnmeßstreifen (8) befestigt
sind, Fig. 2, und den in den Spannkopf integrierten Kraft
sensor bilden.
3. Teilbarer Spannkopf für Zugproben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in den
Zonen (6) der Andruckplatten (1) Dehnmeßstreifen (9) be
festigt sind, Fig. 2, und den in den Spannkopf integrier
ten Kraftsensor bilden.
4. Teilbarer Spannkopf für Zugproben nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß durch
den steckbaren Bolzen (3) der Spannkopf teilbar ist und die
Probe (7) mit außerhalb der Prüfmaschine angespannten An
druckplatten (1) durch einen einfachen Steckvorgang mit
dem Bolzen (3) an den Träger (2) und damit in die Prüf
maschine montiert, oder demontiert werden kann.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863636252 DE3636252A1 (de) | 1986-10-24 | 1986-10-24 | Teilbarer spannkopf mit integriertem dms-kraftaufnehmer zum spannen von zugproben |
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DE19863636252 DE3636252A1 (de) | 1986-10-24 | 1986-10-24 | Teilbarer spannkopf mit integriertem dms-kraftaufnehmer zum spannen von zugproben |
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ID=6312416
Family Applications (1)
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DE19863636252 Granted DE3636252A1 (de) | 1986-10-24 | 1986-10-24 | Teilbarer spannkopf mit integriertem dms-kraftaufnehmer zum spannen von zugproben |
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