DE4134743A1 - System zur bestimmung mechanischer langzeiteigenschaften von werkstoffen - Google Patents

Description

1. Einführung

Das moderne Konstruktionswesen verlangt vom Konstrukteur ein werkstoffgerechtes Design, das auf Basis neuester Technologien und optimaler Ausnützung der gegebenen Werkstoffeigenschaften materialsparend und dennoch voll funktionsfähig, also kostengünstig arbeitet.

Dies gilt insbesondere für das relativ neue Material Kunststoff, das in letzter Zeit einen immer zunehmenden Einsatz in allen Bereichen des Lebens findet. In Hinblick auf die immer knapper werdenden Rohstoffe, aus welchen Kunststoffe hergestellt werden, gewinnt die Wichtigkeit eines kunststoffgerechten Konstruierens immer mehr an Bedeutung.

Im Gegensatz zu den klassischen Werkstoffen wie z. B. Metalle, können Teile aus Kunststoff ohne Berücksichtigung deren zeitabhängigen Verhaltens nicht richtig bemessen werden. Eine großzügige Überdimensionierung, wie heutzutage öfters praktiziert wird, entspricht nicht dem Prinzip der Material- und Energieeinsparung. Um das zeitabhängige (viskoelastische) Verhalten der Kunststoffe zu ermitteln, ist es notwendig, das Langzeitverhalten der Kunststoffe zu untersuchen und die Ergebnisse praxisgerecht in die Festigkeitsrechnung der Kunststoffteile einzubeziehen.

Bei der Untersuchung und der mathematischen Erfassung der Viskoelastizität (Zeitabhängigkeit) der Kunststoffe treten zwei grundlegend unterschiedliche Belastungsfälle auf, nämlich das sogenannte "Kriechen" und die "Spannungsrelaxation", die nachfolgend erläutert werden.

Kriechen bedeutet die Belastung eines Teiles oder eines Versuchkörpers mit einer konstanten mechanischen Spannung, wobei dessen zeitabhängige zunehmende Verformung gemessen wird.

Unter Spannungsrelaxation versteht man die Beaufschlagung eines Teils oder eines Versuchskörpers mit einer konstanten Verformung, wobei die hierdurch entstandene mechanische Spannung, die im Laufe der Zeit abnimmt, gemessen wird.

Zur mathematischen Beschreibung der Ergebnisse von Kriech- bzw. Spannungsrelaxationsversuchen existieren verschiedene Methoden, die auch die Voraussage des Werkstoffverhaltens unter anderen Belastungsfällen und -kombinationen in den verschiedensten Zeiträumen ermöglichen.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der das Verhalten mechanisch belasteter Kunststoffe stark beeinflußt ist die Temperatur. Für Kunststoffe die bei Temperaturen oberhalb oder unterhalb der Raumtemperatur zum Einsatz kommen, ist es unbedingt notwendig das viskoelastische Verhalten (Kriechen oder Spannungsrelaxation) bei der Einsatztemperatur zu prüfen.

Zur Ermittlung des viskoelastischen Verhaltens der Kunststoffe unter Kriech- und/oder Spannungsrelaxationsbelastung ist es notwendig, um die anfallenden Streuungen zu eliminieren, mehr oder weniger große Versuchsserien durchzuführen. Hierzu sind Universalprüfmaschinen wenig geeignet, da sie vom Aufgabenbereich her meist für diesen Zweck technisch ungeeignet sind (z. B. sind sie nicht in der Lage eine Dehnung konstant zu halten). Außerdem ist die Durchführung an solchen Maschinen sehr unwirtschaftlich, da kostenintensiv, weil die erforderlichen Versuche meist über Wochen, Monate und mehr andauern müssen.

Praxisgerechter und wesentlich kostengünstiger ist die Verwendung speziell für Langzeitversuche konzipierter Zeitstandversuchsgeräte, die Gegenstand dieser Anmeldung sind.

Es wird unterschieden zwischen Geräten für Zugbelastung, mit welchen das Langzeitverhalten unter normalen Spannungen (senkrecht zum Querschnitt des Probekörpers) untersucht wird und Geräten für Torsionsbelastung, die zur Ermittlung des Langzeitverhaltens unter Schubspannungen (Spannungen, die parallel zur Querschnittsoberfläche wirken) dienen.

Die im folgenden beschriebenen Geräte gewährleisten eine problemlose, sachgerechte Einspannung der Proben, eine unkomplizierte Durchführung der Versuche und eine elektronische Regelung der vorgesehenen Sollgrößen. Die Meßwerte können analog erfaßt, abgelesen und auf Papierschrieben aufgezeichnet werden oder über einen Personalcomputer digital erfaßt, gespeichert und weiterverarbeitet werden.

Die vorliegenden Geräte sind gezielt für diese Aufgaben konzipiert worden und auf dem Markt in dieser Form nicht erhältlich.

2. Beschreibung der Prüfgeräte 2.1 Der Zugversuchsstand 2.1.1 Aufbau und Funktion

Der Belastungsaufbau ist in Bild 1 gezeigt. Die Zugprobe P ist in zwei Klemmbacken eingespannt und wird über einen Hebel H mittels Gewichts­ stücken G, oder eine geeignet bemessene Feder belastet. An diesem Hebel wird über eine elektrische Kraftmeßeinrichtung die Kraft erfaßt, die auf die Probe wirkt. Die Dehnung wird durch einen speziell konzipierten Aufsetzdehnungsmesser abgegriffen.

Der Hebel ruht auf einem Anschlag, der von einer elektronischen Steuerung verstellbar ist; mit dessen Hilfe ist eine Regelung der gewünschten Sollgröße (Kraft beim Kriechversuch, Dehnung beim Spannungsrelaxations­ versuch) möglich. Zweckmäßigerweise ist das Hebelverhältnis 1:10, für höhere Lasten, wie beim Prüfen verstärkter Kunststoffe benötigt, sind Anordnungen mit dem Verhältnis 1:25 mittels Doppelhebelsystemen entwickelt worden (s. Bild 2).

Beide Systeme zeichnen sich durch eine problemlose Handhabung aus.

2.1.2 Probeneinspannung

Flachproben (Schulterproben) werden mit Hilfe von in Bild 3 gezeigten Keilspannbacken eingespannt; diese gewährleisten eine gleichmäßige, selbstklemmende Halterung der Proben.

Um eine zentrierte, symmetrische Einspannung der Proben zu erzielen, wurde eine hierfür passende Einspannvorrichtung entwickelt, die jegliche störende Vorbelastung des Prüflings vermeidet. Die Probeneinspannung in die Backen findet, wie ersichtlich, außerhalb der Prüfvorrichtung statt. Bild 4 zeigt die Einspannvorrichtung.

Rundproben (Rohre) werden (auch außerhalb der Prüfvorrichtung) mit Hilfe von Spreizkernen und Halteringen aus Metall eingespannt. Ein Schnitt durch eine solche Einspannung ist in Bild 5 gezeigt.

2.1.3 Die Kraftmessung

Die an der Probe wirkende Kraft wird mit Hilfe einer Dehnmeßstreifen (DMS)- Vollbrücke die am Hebelarm an der Probenseite appliziert ist (bei den 1:10 Belastungsvorrichtungen), oder mit Kraftmeßeinheiten, die in Reihe mit den Zugproben angebracht sind (bei den 1:25 Belastungsvorrichtungen) elektronisch erfaßt.

2.1.4 Die Dehnungsmessung

Um Meßfehler durch die Elastizität des Prüfgerätes und unerwünschte Effekte in der Probeneinspannung zu vermeiden, wird als Maß für die Deformation nicht die Änderung des Abstandes der Einspannbacken, sondern die Änderung der sogenannten Meßlänge der Probe erfaßt. Dies erfolgt mittels eines auf die Probe aufgesetzten, mit DMS-bestückten Dehnungsgebers. Mit Hilfe eines Meßverstärkers wird die Dehnung in ein proportionales elektrisches Meßsignal umgewandelt. Bild 6 zeigt diesen Dehnungsgeber. Die A-förmigen Schenkel S dienen dazu, den mechanischen Einfluß des Verbindungskabels vom hochelastischen DMS-bestückten Meßbalken M fernzuhalten und somit Störungen die durch die Berührung des Kabels K auftreten könnten fernzuhalten.

2.1.5 Das Regelungsverfahren

Die Regelvorrichtung greift über eine elektrisch verstellbare Anschlag­ schraube am Belastungshebel in den Belastungsvorgang ein. Das Belastungs­ gewicht bzw. die Belastungsfeder muß etwas größer als erforderlich gewählt werden, um einen permanenten Kontakt zwischen der Anschlagschraube und dem Belastungshebel zu gewährleisten. Somit trägt die verstellbare Anschlagschraube die Differenz zwischen der erforderlichen Belastungskraft und der vorhandenen, vom Belastungsgewicht induzierten Kraft. Die dazu speziell entwickelte Elektronik vergleicht den tatsächlichen Wert der zu regelnden Größe (Spannung oder Dehnung der Probe), vergleicht diesen mit dem gewünschten Sollwert den Verstellmotor der Anschlagschraube derart, daß die Differenz zwischen Ist- und Sollwert gegen Null geht.

Beim Kriechversuch läßt sich so etwa die tatsächliche mechanische Spannung (Kraft per Querschnittsfläche der Probe) unter Berücksichtigung der Querkontraktion (Abnahme der Querschnittsfläche) konstant halten.

Im Falle des Spannungsrelaxationsversuches hingegen ist eine elektronische Regelung der Dehnung unbedingt erforderlich, da konstruktionsbedingt, die Elastizität der Belastungsvorrichtung, die unvermeidlichen Rutscheffekte in den Spannbacken und die Geometrie der Proben bei Einhaltung eines konstanten Abstandes der Spannbacken keine konstante Dehnung gewährleisten würden.

In beiden Fällen, d. h. bei der Einhaltung eines gegebenen Sollwerts der Spannung oder Dehnung, können auch variable Werte (wie z. B. eine stetige Zu- oder Abnahme, eine langsame periodische Änderung) mittels eines Funktionsgenerators oder eines Rechners eingegeben werden.

2.2 Der Torsionsversuchstand 2.2.1 Aufbau und Funktion

Der Versuchsstand besteht aus einer Grundplatte A, auf der eine feste und eine in Längsrichtung bewegliche Einspannstelle für die rohrförmigen Torsionsproben P angebracht sind. Die Belastung erfolgt über ein Gewicht G oder eine geeignet dimensionierte Feder, welche über ein Seil auf eine Scheibe S mit definiertem Durchmesser ein Drehmoment aufbringt (Bild 7). Dieses wird am festen Probenende von einem Drehmoment-Meßelement D erfaßt und über einen Meßverstärker elektronisch umgewandelt und registriert.

Der Verdrehwinkel wird mittels eines neuartigen Aufsetzwinkelmessers W an der Probe P abgegriffen und elektronisch erfaßt. Das Gewicht des Winkelnehmers W wird, um Biegebeanspruchung der Probe zu vermeiden, durch ein Tariergewicht T an einem kugelgelagertem Hebelarm H ausbalanciert.

Die elektronische Regelung wirkt über einen gesteuerten Verstellmotor, der entweder als Anschlagschraube für das Belastungsgewicht oder als diesem entgegenwirkende Seilwinde ausgebildet ist.

Geregelt werden können entweder das Drehmoment oder Verdrehwinkel der Probe.

2.2.2 Probeneinspannung

Rohrproben werden mit Füllstopfen und Klemmringen an den Enden versehen und so in handelsüblichen Dreibacken-Bohrfutter eingespannt. Volle Proben können entweder mittels Klemmringen (weiche Kunststoffe) oder direkt eingespannt werden. Die Einspannung hat sich als sehr zuverlässig gezeigt.

2.2.3 Drehmomentmessung

Das Drehmoment wird über eine DMS-Vollbrücke D mit 45°-Anordnung auf einen dünnwandigen Duraluminiumzylinder Z, an dem die feste Probeneinspannung angebaut ist, erfaßt. Ein Meßverstärker setzt das Signal in eine proportionale Gleichspannung um. Bild 8 erläutert den Aufbau.

2.2.4 Drehwinkelmessung

Die Drehwinkelmessung erfolgt durch einen Aufsetzwinkelaufnehmer neuartiger Technologie. Um Störeffekte durch Reibung, ungenügende Auflösung und Längenänderungen der Probe, wie bei Aufnehmern herkömmlicher Bauart auftreten können, zu vermeiden, wurde ein Aufnehmer entwickelt, der nach dem kapazitiven Prinzip arbeitet. Es handelt sich um einen über die Probe geschobenen Differential-Drehkondensator, der an zwei Stellen der Probe in einem gegebenen Abstand auf dieser angeklemmt ist und den relativen Verdrehwinkel dieser Klemmstellen registriert. Der Winkelmesser stellt im Prinzip einen kapazitiven Spannungsteiler dar, der in Verbindung mit einem konventionellen Trägerfrequenzmeßverstärker, wie auch im bereits erwähnten Regelgerät enthalten, den Verdrehwinkel als proportionale Gleichspannung am Ausgang liefert. Bild 9 zeigt die Prinzipdarstellung mit der Probe P, den Spannfuttern B und den Kondensatoren C₁ und C₂, die variabel, nämlich umgekehrt proportional sich verändern, wenn eine Tordierung der Probe erfolgt.

Die Verwendung dieser kapazitiven Technologie erfordert eine elektronische Zusatzschaltung, einen Impedanzwandler, der den Drehwinkelaufnehmer von den weiterführenden Leitungen entkoppelt. Dieser Schaltkreis befindet sich in der Nähe des Aufnehmers. Bild 10 zeigt den Stromlaufplan dieses Impedanzwandlers.

Der kapazitive Winkelaufnehmer, bestehend aus C₁ und C₂ liefert die Brückenspannung U_B, die über ein doppeltabgeschirmtes Koaxialkabel dem Operationsverstärker V zugeführt und von diesem am Ausgang A an den Meßverstärker weitergegeben wird.

2.2.5 Regelverfahren

Analog zu den Zugversuchen kann mittels der elektronischen Regelung ein geforderter Sollwert für eine Größe konstant gehalten bzw. vorgegeben werden. Beim Torsions-Kriechversuch kann das Drehmoment geregelt werden, beim Torsions-Spannungsrelaxationsversuch ist es möglich, den Verdrehwinkel konstantzuhalten bzw. zeitabhängig veränderlich vorzugeben.

3. Die Elektronik

Die elektronische Regelung enthält je Prüfstand folgende, als Blockschaltung in Bild 11 gezeigte, Baugruppen:

• a) einen Zweikanal-Trägerfrequenzmeßverstärker, bestehend aus je einem Oszillator O und einem Demodulator D (nur ein Kanal ist im Bild 11 gezeigt)
  • - Zugversuch: ein Kanal Kraft; ein Kanal Dehnung
  • - Torsionsversuch: ein Kanal Drehmoment; ein Kanal Drehwinkel
    Trägerfrequenz: 5-20 KHz
    Anschlußmöglichkeiten für Aufnehmer A:
    DMS-Halb- und Vollbrücken
    Induktiv- und Kapazitivaufnehmer
• b) Regelschaltung R mit Motorsteuerung M:
  • - PI-Regler R vergleicht Soll- und Istwert und regelt über
  • - Motorsteuerung M
• c) Sollwertgeber SG für konstanten Sollwert S, einstellbar 0-10 V Gleichspannung konstant
• d) Handsteuerung H zum Verfahren des Stellmotors SM, um eine Anfangsposi­ tion einzunehmen, die derart gewählt werden muß, daß die geforderte Belastungszeit (1-3 sec) eingehalten wird, d. h. der Stellmotor die Regeldifferenz innerhalb dieser Zeit auf Null bringen kann.
• e) Stromversorgung N des Regelgerätes
• f) Funktion der Regelorgane (Stellpotentiometer)
  • - Oszillatorspannung U
  • - Oszillatorfrequenzschalter F
  • - Verstärkungsfaktor V
  • - Nullabgleich ±0
  • - Sollwertvorgabe S
  • - Regelparameter P, I

4. Beispiel für Regelung

Bedingt durch die Lagerung der Belastungsscheibe des Torsionsprüfstandes, treten insbesondere bei höheren Drehmomenten relativ große Reibungskräfte in den Kugellagern auf. Bild 12 zeigt im Vergleich den Verlauf des Belastungsmoments bei Torsions-Kriechversuchen:

• a) ohne Regelung
• b) mit Regelung

Die Vorteile der elektronischen Regelung sind so eindeutig, daß eine weitere Diskussion der Ergebnisse sich erübrigt.

Claims (9)

1. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Belastungseinrichtungen, Einspannvorrichtungen, Verformungsmeßeinrichtungen und ei­ ner mechanisch-elektronischen Regelung besteht. Diese Ele­ mente bilden baulich und örtlich eine Langzeitmeßeinrich­ tung.

2. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, nach Anspruch 1 unter Zugbelastung dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinrichtung zur Messung der Verformung bei Kriechbelastung oder der Kraft bei Spannungsrelaxati­ ons-Belastung mit einer mechanischen Regelung ausgestattet ist. Diese mechanische Regelung M (Abb. 1) erzeugt durch eine Anschlagschraube S eine dem Gewicht G oder einer ent­ sprechenden Federkraft entgegengesetzt wirkende Kraft. Diese Kraft dient zur Regelung der in der Probe auftreten­ den Belastungen oder Verformungen. Die Belastungen oder Verformungen können konstant gehalten werden oder nach einem vorgegebenen zeitlichen Ablauf erfolgen.

3. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, nach Anspruch 1 unter Torsionsbelastung dadurch gekenn­ zeichnet, daß es eine Belastungseinrichtung zur speziellen Torsionsbelastung nach Abb. 7 enthält. Im besonderen be­ steht diese aus einer Lastaufbringung L, einem Einspannfut­ ter E sowie aus einem Drehmoment-Meßsystem D und einem Drehwinkel-Meßsystem W. Hinzu kommt eine mechanische Rege­ lung, bei der eine Anschlagschraube S die durch das Gewicht G an der Torsionsscheibe wirkende Kraft verändert. Dadurch kann die in der Probe auftretende Belastung oder Verformung geregelt werden. Insbesondere kann diese konstant gehalten werden oder nach einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf wir­ ken.

4. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung nach Abb. 4 für Flachproben eine sehr gute Ausrichtung der Einspannrichtung der Probe in den Ein­ spannbacken in axialer Richtung außerhalb der Belastungsvorrichtung ermöglicht. Damit kann eine besonders genaue Belastung erfolgen.

5. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmessung in einer nach Anspruch 1 und 2 belasteten Probe durch einen mit Deh­ nungsmeßstreifen bestückten elastischen Balken erfolgt. Hierbei wird die Einwirkung der Masse bzw. des Gewichtes der zu den Dehnungsmeßstreifen führenden elektrischen Lei­ tungen auf den elastischen Balken durch eine in Abb. 8 dar­ gestellte A-förmige Anordnung von 2 Hebeln verhindert. Diese 2 Hebel sind an den Meßschneiden angebracht und tra­ gen die elektrischen Leitungen. So ist die Messung unab­ hängig von der Lage und/oder der Bewegung der elektrischen Zuleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen.

6. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Torsionsmomentes und des Drehwinkels in der Belastungseinrichtung nach Anspruch 3 durch einen mit Dehnungsmeßstreifen bestückten dünnwandigen Zylinder (Abb. 8) sowie einen Differentialkondensator (Abb. 9) erfolgt. Der Differentialkondensator enthält einen Rotor C sowie zwei Statoren C1 und C2. Verändert der Rotor seine Stellung, dann ändert sich die Kapazität an beiden in den Statoren angeordneten Kondensatoren und liefert einen Meßwert.

7. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der mechani­ schen Regelung in den Belastungseinrichtungen nach Ansprü­ chen 2 und 3 durch einen elektronischen Regler gesteuert wird. Dieser ist in Abb. 11 dargestellt und besteht ins­ besondere aus den in dieser Abbildung dargestellten Be­ standteilen.
In der Belastungseinrichtung nach Anspruch 2 wird der mechanische Regler, der die Kraft auf das Gewicht G aufbringt, durch den elektronischen Regler in Abhängigkeit von Messungen an den Proben so geregelt, daß die Kraft oder die Dehnung entweder konstant gehalten oder nach einem vorgegebenen zeitlichen Ablauf gesteuert wird.
In der Belastungseinrichtung nach Anspruch 3 wird der me­ chanische Regler, der die Kraft auf das Gewicht an der Tor­ sionsscheibe aufbringt, durch den elektronischen Regler in Abhängigkeit von Messungen an den Proben so geregelt, daß das Drehmoment oder der Torsionswinkel entweder kon­ stant gehalten oder nach einem vorgegebenen zeitlichen Ab­ lauf gesteuert wird.

8. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, nach den Ansprüchen 1 bis 7 gekennzeichnet und im besonde­ ren so ausgebildet, daß die mechanisch-elektronische Rege­ lung eine besonders vorteilhafte und ungestörte Messung des Kriechverhaltens oder der Spannungsrelaxation ermög­ licht.

• a) Messung des Kriechverhaltens
  Unter Zugbelastung wird die Kraft so geregelt, daß im be­ sonderen die Spannung in der Probe konstant gehalten wird. Zum anderen kann aber auch die Kraft und damit die Spannung über dem Probenquerschnitt durch ein zeitabhängiges Pro­ gramm variiert werden.
  Unter Torsionsbelastung wird das Drehmoment geregelt, um eine vorgegebene konstante Schubspannung in der Probe zu erzielen oder aber um diese zeitabhängig zu ändern.
• b) Messung der Spannungsrelaxation
  Bei der Messung der Spannungsrelaxation bei Zugbelastung soll die Dehnung konstant gehalten werden, um eine "echte" Spannungsrelaxation zu erhalten. Hierzu wird wiederum eine Regelung der Kraft vorgenommen oder aber es wird über den Regler eine Dehnung nach einem vorgegebenen zeitabhängigen Programm bewirkt. Bei Torsionsbelastung wird der Torsions­ winkel konstant gehalten um eine echte Spannungsrelaxation zu erzielen, oder der Torsionswinkel wird nach einem vorge­ gebenen zeitabhängigen Programm verändert.
  Der Vorteil des mechanisch-elektronischen Systems nach den Ansprüchen 1 bis 7 liegt im besonderen darin, daß die an den Proben vorgenommenen Messungen des Kriechverhaltens oder der Spannungsrelaxation dem Regler zugeführt werden. Durch diesen wird mit für den jeweiligen Meßvorgang vorteilhaften Regelverfahren die Belastung nach Größe und zeitlichem Verlauf gesteuert.

9. Mechanisch-elektronisch geregeltes System zur Bestimmung der mechanischen Langzeiteigenschaften von Werkstoffen, nach Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß es besonders für die Ermittlung der Langzeiteigenschaften von Kunststoffen geeignet ist.