DE3834123C2 - - Google Patents

Description

Wichtige Kennwerte von Werkstoffen sind die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul, die in der Regel an genormten Zugproben in Zugprüfmaschinen ermittelt werden.

Diese Prüfungen und die Probenform sind für Kunststoffe in der DIN-Norm 53455 festgelegt. Die wichtigste Probenform ist der Probenkörper Nr. 3, allgemein Schulterstab genannt. Weitere ähnliche Schulterstäbe sind in der Norm ISO 3167 und ASTM D638 enthalten. Sie haben alle gemeinsam ein prismatisches Mittel­ teil, das etwas länger ist als die vom Dehnungsaufnehmer erfaßte Länge L₀, über welche die Dehnung gemessen wird. Beim Schulterstab Nr. 3, DIN 53455 ist z.B. die Länge des prismatischen Teils 60 mm und die Länge L₀ 50 mm, während die Gesamtlänge des Schulterstabes ≧ 150 mm beträgt. An das prisma­ tische Mittelteil schließen sich Übergangsbereiche an, die in die Schultern münden, welche zum Spannen der Schulterstäbe dienen.

Zum Spannen dieser Schulterstäbe in Zugprüfmaschinen dienen Spannköpfe in den mannigfaltigsten Ausführungen. Eine der gebräuchlichsten Ausführungen ist der Keilzug-Spannkopf. Er besteht aus einem C-förmigen Körper, dessen Öffnung in Rich­ tung Schulterstab zeigt. Die Innenflächen der beiden C-Schenkel sind konisch ausgeführt, sie verjüngen sich in Rich­ tung Öffnung. Auf diesen Innenflächen sind die Spannbacken so geführt, daß sich beim Verfahren in Richtung Öffnung deren Spannflächen schließen. Mit einem Hebel werden die federbelas­ teten Spannbacken zurückgezogen, die Spannflächen öffnen sich, die Schulter des Schulterstabes wird zwischen die Spannflächen geführt, der Hebel losgelassen, und die Spannflächen der Spannbacken legen sich mit leichter (Vor-)Kraft an die Schulter an. Die eigentliche Spannkraft wird erst beim Abziehen des Schulterstabes erzeugt, indem sich die auf den Schulterstab wirkende Zugkraft auf die Spannbacken überträgt, diese auf den Keilflächen weiter vorgleiten, und dabei die Schulter entspre­ chend der zunehmenden Zugkraft immer mehr spannen. In der Praxis funktioniert dies jedoch nicht so gut wie es theore­ tisch sollte. Bei Werkstoffen mit harten, glatten Oberflächen drückt sich die Riffelung der Spannflächen unter der Vorkraft der federbelasteten Spannbacken nicht in die Oberfläche ein, bei Beginn des Zugversuches rutscht die Schulter aus den Spannflächen. Als Abhilfe wird Schmirgelleinen zwischen Schulter und Spannfläche gelegt, um die Reibung zu erhöhen, oder auf die Schultern Plättchen aus einem anderen Werkstoff geklebt, in den sich die Riffelung der Spannflächen besser eindrückt, insgesamt eine unbefriedigende Situation. Aber auch wenn die Schulter auf diese Weise zum Halten zwischen die Spannflächen gebracht wird, gibt es immer wieder ruckweise Gleitbewegungen zwischen der Schulter und den Spannflächen oder den Spannbacken und dem Spannkopfkörper. Treten diese ruckartigen Bewegungen während der Ermittlung des E-Moduls auf, entstehen Sprünge im Spannungs-Dehnungs-Diagramm, da der Dehnungsaufnehmer diesen ruckartigen Bewegungen nicht folgen kann, und bei einer rechnergestützten Auswertung wird dies vom Rechner falsch interpretiert und damit ein falscher E-Modul ausgegeben.

Eine weitere gebräuchliche Ausführungsform von mechanischen Spannbacken besitzt ebenfalls einen C-förmigen Körper, in dessen Schenkeln zwei Spannbacken mittels Gewindespindeln parallel zusammen oder auseinander gefahren werden. In der Regel wird die eine Spannbacke so eingestellt, daß sie 1/2 Probendicke Abstand zur Prüfmaschinenachse hat, und mit der anderen Backe wird die Schulter gespannt. Das manuelle Spannen der Schulterstäbe mittels Gewindespindel und Schrauben­ schlüssel ist sehr umständlich, und die Qualität der Spannung von der Sorgfalt des Bedienungspersonals abhängig, und die maximal erzielbare Spannkraft begrenzt diese Ausführung auf Proben mit geringer Zugkraft. Zudem kann diese Art Spannköpfe für eine automatisierte Prüfung nicht eingesetzt werden.

Auf Grund dieser aufgeführten Probleme wurden elektromoto­ risch, pneumatisch und hydraulisch betätigte Spannköpfe ent­ wickelt, die allgemein eine C-Form aufweisen und deren Spann­ backen parallel zueinander bewegt werden. Wegen der im Ver­ gleich zu hydraulisch betätigten Spannköpfen begrenzten Spann­ kraft und den großen Abmessungen von elektromotorisch oder pneumatisch betätigten Spannköpfen soll auf diese hier nicht eingegangen werden; desgleichen auch nicht auf Spannköpfe mit zylindrischen Gehäusen, in denen die Spannbacken ähnlich einem Bohrfutter auf Keilflächen mechanisch oder hydraulisch bewegt werden, denn in diese geschlossene Ausführung kann der Schulterstab nicht horizontal mit einem Handhabungsgerät eingeführt werden, und das Bruchstück des gebrochenen Schulterstabes nach Versuchsende muß aus dem unteren Spannkopf nach oben entnommen werden, was einen automatisierten Betrieb praktisch ausschließt.

C-förmige Spannköpfe haben den grundsätzlichen Nachteil, daß eine zwischen den Schenkeln wirkende Kraft diese aufspreizen, und damit die Spannflächen nicht mehr parallel stehen, sondern sich nach außen aufweiten, was ein Rutschen der Schulter aus dem Spannkopf begünstigt. Um dies zu vermeiden, muß der die beiden Schenkel verbindende Rücken des C-Körpers im Quer­ schnitt entsprechend überdimensioniert werden, daher haben solche Spannköpfe im Verhältnis zu ihrer Spannkraft immer ein relativ hohes Volumen und Gewicht.

Die Hydraulik ermöglicht große Kräfte auf kleinem Raum. Auf Grund des im vorhergehenden Absatz beschriebenen Nachteils C-förmiger Ausführungen sind bisher ausgeführte hydraulische Spannköpfe trotzdem schwer, voluminös und teuer, wodurch der Gewinn, den die Hydraulik bringen sollte, wieder verspielt wird. Dazu tragen auch Anwenderforderungen bei, von beiden Seiten mit der Probe zwischen die offenen Spannbacken ein- bzw. ausfahren zu können, also ein offenes C mit minimalster Auffederung und Schrägstellung der Spannbacken.

Aus DE 35 37 248 C2 ist eine Einspannvorrichtung bekannt, die zum Spannen von Prüfkörpern, die quer zur Zugkraft durckempfind­ lich sind, verwendet wird. Da diese Einspannvorrichtung zum Span­ nen der beschriebenen, genormten Zugproben ungeeignet ist, soll auf sie nicht weiter eingegangen werden.

Für die Prüfung von Kunststoffen nach DIN 53455 mit manueller oder automatischer Beschickung der Zugprüfmaschine genügt es, wenn die Schulterstäbe von einer Seite in die Spannköpfe eingeführt und deren Bruchstücke wieder entnommen werden können. Auf der anderen Spannkopfseite genügt es, wenn die Spannköpfe in der Ausgangsstellung so weit auseinander sind, daß die Taster des Dehnungsaufnehmers an den Schulterstab angesetzt werden können. Da diese Prüfungen in der Regel auf kleineren Zugprüfmaschinen ausgeführt werden, soll ein hydrau­ lisch betätigter Spannkopf nicht groß und schwer sondern eher kompakter und leichter sein als die mechanischen Spannköpfe. Dies aber läßt sich nur erreichen, wenn die Verbindung zwischen festem Widerlager und Spannzylinder in einer Ebene mit der Achse des Kolbens des Spannzylinders liegt.

Aufgabe der erfindungsgemäßen Konstruktion ist daher ein hydraulisch betätigter Spannkopf mit dem Volumen und Gewicht gleich oder kleiner eines mechanischen Spannkopfes, für auto­ matisierten Betrieb geeignet, bei dem von einer Seite manuell oder automatisch die Schulterstäbe zugeführt, von der anderen Seite die Taster des Dehnungsaufnehmers an den Schulterstab angesetzt werden können und bei dem die Verbindung zwischen den spannenden Elementen in einer Ebene mit und symmetrisch zu der Achse des Spannkolbens liegt und der Schwerpunkt der Spannfläche der Schulter ebenfalls in der Achse des Spann­ kolbens liegt, wodurch die Schulterfläche gleichmäßig gespannt und ein Rutschen der Schulter zwischen den Spannflächen und ein Kippen derselben vermieden wird. Zudem soll der Spannkopf einfach und preiswert gefertigt werden können.

Diese Aufgabenstellung wird durch den hydraulischen Spannkopf mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1-3 dargestellt.

In dem Träger (1) sind winklig zur Prüfmaschinenachse (24) zwei Zuganker (2) und (3) angeordnet. Sie sind in der Höhe versetzt und liegen in einer diagonalen Ebene mit und symmetrisch zur Spannkolbenachse (25), auch Spannachse genannt. Eine in der Spannachse wirkende Kraft wird dadurch von beiden Zugankern (2) und (3) gleichmäßig aufgenommen. Die Zuganker (2) und (3) verbinden den Spannzylinder (4) mit dem Träger (1) und dienen gleichzeitig zur Führung der Kopfplatte (5) des Spannkolbens (6), welcher durch die Dichtung (26) abgedichtet wird. Wird dem Spannzylinder (4) durch den Anschluß (27) Drucköl zugeführt, Fig. 1, schiebt sich der Spannkolben (6) mit Kopfplatte (5) vor, bis die eingesetzte Spannbacke (10) die Schulter der Probe (17) gegen die in den Träger (1) einge­ setzte Spannbacke (9) drückt und damit festspannt. Die ge­ spannte Fläche (16) der Schulter der Probe (17), in Fig. 2 kreuzschraffiert dargestellt, liegt symmetrisch zur Spannachse (25), wodurch sich die Spannkraft gleichmäßig auf die gespann­ te Fläche (16) verteilt. Diese gleichmäßige Verteilung der Spannkraft, einerseits auf die Fläche (16) und andererseits auf die die Spannkraft aufnehmenden Zuganker (2) und (3), bewirkt, daß die Spannflächen der Spannbacken (9) und (10) unabhängig von der Höhe der Spannkraft immer parallel zueinander stehen, ein Kippen oder Aufspreizen wie bei C-förmigen Spannbacken ist ausgeschlossen.

Wird die bewegliche Spannbacke, hier (10), direkt an den Spannkolben montiert, und bewegt sich der Spannkolben vorwärts, verringert sich die Führungslänge des Spannkolbens. Wirkt nun auf die Probe eine Zugkraft, kann dies zu einem Verkanten des Spannkolbens und damit Kippen der Spannfläche der Spannbacke führen. Zudem besteht die Gefahr einer Beschädigung der Zylin­ derlauffläche. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach An­ spruch 1, bei der der Spannkolben (6) mit einer Kopfplatte (5) versehen ist, und diese auf den Zugankern (2) und (3) geführt wird (28), bleibt die Führungslänge immer konstant, unabhängig vom Spannkolbenhub. Eine aus der Probe (17) in die Spannbacke (10) eingeleitete und winklig zur Spannachse (25) wirkende Zugkraft, Fig. 1, wird über die Kopfplatte (5) direkt von den Zugankern (2) und (3) aufgenommen. Ein Kippen des Spannkolbens und damit der Spannfläche der Spannbacke (10) wird damit wirksam verhindert. Damit ist gewährleistet, daß weder die Spannkraft noch die Zugkraft die Parallelität der Spannflächen der Spannbacken (9) und (10) beeinflussen kann.

Die Arbeitsachse von Zugprüfmaschinen ist in der Regel verti­ kal angeordnet. Die Einbaulage des oberen Spannkopfes wird also Fig. 1-3 entsprechen, und der untere Spannkopf spiegel­ bildlich dagegen stehen. Bei automatischer Probenzufuhr wird der Schulterstab (17) horizontal zwischen die Spannbacken (9) und (10) eingeführt, in Fig. 2 würde er also von rechts kommen. Dies setzt voraus, daß ein freier Durchgang, größer als die Länge des Schulterstabes, vorhanden ist. Da nach Anspruch 2 die Unterkante (7) des Zugankers (2) höher liegt als die Oberkante (8) der Spannbacken (9) und (10), kann der Schulterstab (17) ungehindert in den Spannkopf eingeführt werden. Für den unteren, spiegelbildlichen und in der Zeichnung nicht dargestellten Spannkopf gilt sinngemäß dasselbe. Von der anderen, linken Seite in Fig. 2 werden die Taster (14) des Dehnungsaufnehmers (15) an den Schulterstab (17) angesetzt. Der wichtigste Schulterstab für die Prüfung von Kunststoffen ist der Probenkörper Nr. 3 nach DIN 53455. Seine Länge ist ≧ 150 mm, die Basislänge L₀ der Dehnungsmessung, also der Abstand zwischen den Tastern (14), ist 50 mm. Da nach Anspruch 2 die Unterkante (11) des Trägers (1) und die Unterkante (12) der Kopfplatte (5) höher liegt als die Oberkante (13) des Tasters (14), kann an diese, oder von den Abmessungen ähnliche Schulterstäbe oder Streifenproben, der Taster (14) des Deh­ nungsaufnehmers (15) angesetzt werden, denn für den unteren Spannkopf gilt sinngemäß dasselbe.

Damit ist die wesentlichste, an die Erfindung gestellte Auf­ gabe erfüllt, gleichmäßige Kräfteverteilung symmetrisch zur Spannachse (25), Parallelität der Spannflächen unter allen einwirkenden Kräften und trotzdem vom Spannkopf unbehinderter Zugang für die Schulterstäbe und Taster.

Vorteilhaft sind die Aussparungen (20) im Träger (1) und (21) in der Kopfplatte (5) nach Anspruch 4. Wird der Spannkopf um 180° gedreht, kann der Taster (14) näher an die Spannbacken (9) und (10) herangerückt werden. Bei manueller Probenzufuhr kann dadurch auch bei kürzeren Proben die Dehnung gemessen werden. Bei automatischer Probenzufuhr und Anordnung des Spannkopfes nach Fig. 2 kann zudem der Raum der Aussparungen (20) und (21) zum Ansetzen der Greifer des Handhabungsgerätes an den Schulterstab (17) genützt werden.

Der Spannkolben (6) ist als Plungerkolben ausgeführt, was eine kurze Bauform ermöglicht, wenn die Druckölzufuhr (27), entgegen Fig. 1, winklig zur Spannkolbenachse (25) erfolgt. Durch diese Ausführung wird jedoch ein zusätzliches Element zum Zurückschieben des Spannkolbens (6) benötigt. Ein nach Anspruch 3 in den Träger (1) integrierter Rückstellzylinder (18), mit dem Kolben (19), drückt bei Druckölzufuhr über den Anschluß (29) auf die Kopfplatte (5) und schiebt damit den Spannkolben (6) zurück. Der Rückstellzylinder (18) kann klein sein gegenüber dem Spannzylinder (4). Werden die Anschlüsse (27) und (29) der Zylinder in bekannter Weise an die An­ schlüsse A und B eines 4/2 Wegeventils gelegt, wird je nach Ventileinstellung der eine Zylinder mit Drucköl versorgt und der andere mit dem Tank verbunden.

Zum einfachen Lösen und Anziehen der Befestigungsschrauben (23) des Spannbackens (10) ist es vorteilhaft, wenn nach Anspruch 5 in den Träger (1) und den Spannbacken (9) Bohrungen (22) ein­ gebracht werden, die mit den Schrauben (23) fluchten und durch die ein Steckschlüssel geführt werden kann. Die Befestigungs­ schrauben (30) des Spannbackens (9) können problemlos von außen bedient werden.

Die Verbindung des Spannkopfes zur Zugprüfmaschine erfolgt in der Regel über einen an der Zugprüfmaschine angebrachten, zylindrischen Zapfen, der über die Bohrung (31) den Spannkopf aufnimmt und zentrisch zur Prüfmaschinenachse ausrichtet. Ein durch die Querbohrung (32) gesteckter Bolzen besorgt die formschlüssige Verbindung. Selbstverständlich sind auch andere, dem Fachmann bekannte Verbindungen zwischen Spann­ kopf und Zugprüfmaschine, z.B. Schraub-, Bajonett- oder Exzenterverbindungen, möglich, ohne die erfindungsgemäße Funktion des Spannkopfes zu beeinträchtigen.

Auf Grund des einfachen Aufbaus kann der Spannkopf kosten­ günstig gefertigt werden. Er kommt damit auch für Anwender in Frage, für die die hohen Kosten bisher angebotener, hydraulischer Spannköpfe unrentabel waren. Ein hydraulischer Spannkopf ermöglicht ein zügiges Arbeiten an Zugprüfmaschinen und gleichmäßigere Ergebnisse durch ein konstant gleichmäßiges Spannen der Schulterstäbe. Die Konstruktion ermöglicht gerin­ ges Gewicht und kleine Abmessungen, die Vorteile der Hydraulik, große Kräfte auf kleinem Raum werden voll genutzt. In der praktischen Ausführung wiegt ein erfindungsgemäßer Spannkopf mit 40 KN Spannkraft rd. 6 kg.

Claims (5)

1. Spannkopf zum Spannen von vorzugsweise genormten Zugproben in Form von Schulterstäben oder rechteckigen Streifenproben in Zugprüfmaschinen, bei dem die Spannkraft hydraulisch erzeugt wird und der für eine automatisierte Prüfung geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Träger (1) winklig zur Prüfmaschinenachse (24) zwei in der Höhe versetzte Zuganker (2) und (3) angeordnet sind, welche den Spannzylinder (4) halten und eine Kopf­ platte (5) des Spannkolbens (6) führen, und diese Zuganker (2) und (3) parallel zur Achse (25) und in einer diagonalen Ebene mit der Achse (25) des Spannkolbens (6) verlaufen.

2. Spannkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterkante (7) des oberen Zugankers (2) höher liegt als die Oberkante (8) der Spannbacken (9) und (10) und bei genormten Schulterstäben mit L₀=50 mm oder Schulterstäben mit ähnlichen Abmessungen, die Unterkante (11) des Trägers (1) bzw. die Unterkante (12) der Kopfplatte (5) höher liegt als die Oberkante (13) des Tasters (14) eines Dehnungsaufnehmers (15), wenn die Spann­ fläche (16) des Schulterstabes (17) symmetrisch zur Achse (25) des Spannkolbens (6) angeordnet ist.

3. Spannkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Lösen der Spannung, die Rückstellung des Spann­ kolbens (6) durch einen in dem Träger (1) integrierten Rück­ stellzylinder (18) mit Kolben (19) erfolgt.

4. Spannkopf nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) eine Aussparung (20) und die Kopfplatte (5) eine Aussparung (21) besitzen, wodurch, bei um 180° gedrehtem Spannkopf, der Taster (14) näher an die Spann­ backen (9) und (10) heranrückbar ist.

5. Spannkopf nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Träger (1) und der Spannbacke (9) Bohrungen (22) befinden, durch welche die Befestigungs­ schrauben (23) der Spannbacke (10) anziehbar oder lösbar sind.