DE4332691A1 - Biegemomentfreie Einspannung für Proben in Prüfmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine biegemomentfreie Einspannung für Proben in Prüfmaschinen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im idealen Zugversuch würde eine Probe einer gleichmäßigen axialen Last an den Enden ausgesetzt, so daß die Spannung über­ all in der Probe gleich wäre. In der Praxis ist dies jedoch aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten, Inhomogenitäten etc. meist nicht realisierbar, so daß zu der reinen Zugbeanspruchung ein Biegemoment hinzukommt. Insbesondere bei spröden Werkstof­ fen wie z. B. Keramik ist eine zentrische Krafteinleitung er­ forderlich, da diese Werkstoffe besonders empfindlich gegenüber Biegebeanspruchung sind. Um dieses Biegemoment möglichst weit­ gehend zu vermeiden, sind bislang eine Vielzahl von Einspannun­ gen bekannt geworden.

Durch die DE-OS 37 31 460 ist eine Einspannvorrichtung bekannt, die so einstellbar ist, daß ein Prüfstück exakt zentrisch ein­ gespannt werden kann. Diese Einspannvorrichtung weist eine den Prüfkörper aufnehmende Einspannplatte und einen mit der Bela­ stungseinrichtung verbundenen Einspannkörper auf. Zur Ausrich­ tung des Prüfstücks können Einspannplatte und Einspannkörper vor Versuchsbeginn mit Hilfe von Einstellbolzen im Bezug auf Achsversatz und im Bezug auf Winkelversatz zueinander ausge­ richtet werden. Bei Belastung der Probe können eventuell auf­ tretende Mikroverformungen der Probe oder des Einspannkopfes die Lage der Probe in Bezug auf die Belastungsachse verändern. Diese während Belastung der Probe auftretenden Lageveränderun­ gen können nicht ausgeglichen werden, da Einspannplatte und Einspannkopf vor Prüfbeginn zueinander ausgerichtet werden und diese Position mittels Einstellbolzen fest fixiert ist.

Desweiteren sind biegemomentfreie Einspannungen für Proben bekannt, bei denen die Probe an sphärischen Flächen abgestützt bzw. gehalten wird. Diese Vorrichtungen sind jedoch für Zug­ und/oder Druckprüfungen z. B. von Keramikproben nicht geeignet. Entweder erlauben die bekannten Vorrichtungen nur eine Zugprü­ fung (DE-PS 6 71 954, DE-AS 23 06 393) oder sie erfordern beson­ dere Spanneinrichtungen zum Einspannen der Probenenden oder Probenköpfe, da die Prüfkraft durch Reib- bzw. Kraftschluß über Aufnahmeelemente auf die Probe bzw. die Probenenden übertragen wird (DE-PS 20 28 030).

Aus der Druckschrift American Society for Testing and Materi­ als, Proceedings, Band 59, Seite 663, ist eine biegemomentfreie Einspannvorrichtung für Proben mit Schulterköpfen vorgesehen, wobei die Probe in einem zweiteilig ausgeführten Probenaufnah­ mekörper gelagert ist, der kugelige Außenflächen aufweist. In dieser bekannten Einspannvorrichtung können lediglich Proben mit speziell ausgebildetem Probenkopfende eingespannt werden, hierzu wird dann ein zweiteilig ausgeführter Aufnahmekörper um das Probenkopfende angeordnet.

Aus der US 2 350 577 ist eine Einspannvorrichtung für Proben bekannt, bei der zwei Kugelhälften über einen Stift in Verbin­ dung stehen, wobei der Stift in einer Querbohrung des Proben­ endes gelagert ist und somit eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kugelhälften und dem Probenende erreicht wird. Die beiden Kugelhälften sind in entsprechenden Kugelscha­ len der Keilspannbacken gelagert und klemmen das Probenende mit ihren dem Probenende zugewandten Flächen über die Klemmwirkung des Keilspannzeugs. Hierbei muß gewährleistet sein, daß die zwei zusammengesetzten Kugelhälften mit eingespannter Probe tatsächlich eine Kugel bilden, da nur dann eine biegemoment­ freie Einspannung sichergestellt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einspannvor­ richtung zur biegemomentfreien Einspannung für Proben zu schaf­ fen, die einfach aufgebaut ist und stets selbsttätig eine bie­ gemomentfreie Einspannung der Probe sicherstellt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch das im Kraftfluß angeordnete Element, das jeweils um zwei Achsen bie­ geelastisch ausgebildet ist, wobei die Achsen orthogonal auf­ einander stehen, kann sowohl ein Achsversatz des Probenendenauf­ nahmekörpers in Bezug auf die Belastungsachse als auch eine Schiefstellung des Probenendenaufnahmekörpers ausgeglichen wer­ den. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht auch einen Ausgleich während der Belastung der Probe, somit ist jederzeit eine biegemomentfreie Einspannung sichergestellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Probenendenauf­ nahmekörper und Elemente aus carbonfaserverstärktem Kohlen­ stoff (CFC) verwendet. Durch diese Ausbildung können auch Ver­ suche bei sehr hohen Temperaturen um die 2000°C durchgeführt werden. Desweiteren können durch diese Ausgestaltung auch sehr kurze Proben unter hohen Temperaturen geprüft werden. Die Pro­ benendenaufnahmekörper können ebenfalls in der klimatisierten Kammer angeordnet sein, somit treten zwischen Probe und Ein­ spannstelle keine unerwünschten Spannungen infolge der Tempera­ turdifferenz auf.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel in den Zeichnungen dargestellt und in der Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einspannvorrichtung für eine Flachprobe,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Einspannvorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine untere Einspannvorrichtung 1, in die eine Flachprobe 2 mit ihrem unteren Ende eingespannt ist. In einer nicht dargestellten Materialprüfmaschine sind zwei Einspannvor­ richtungen in Vertikalrichtung fluchtend übereinander angeord­ net, wobei die obere Einspannvorrichtung üblicherweise an der Quertraverse des Belastungsrahmens der Prüfmaschine angeordnet wird und die untere Einspannvorrichtung 1 mit einer nur schema­ tisch dargestellten Belastungseinrichtung 3 verbunden ist. Die obere und die untere Einspannvorrichtung haben den gleichen Aufbau, daher ist nur die untere Einspannvorrichtung in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die schematisch dargestellte Bela­ stungseinrichtung 3 weist eine Belastungsachse 4 auf, in der die Belastungskräfte aufgebracht werden. Eine biegemomentfreie Einspannung der Probe 2 ist dann gewährleistet, wenn die Bela­ stungsachse 4 mit der Längsachse 5 der Probe 2 zusammenfällt.

Das hier dargestellte untere Probenende der Flachprobe 2 ist in einem Probenendenaufnahmekörper 6 eingespannt. Hierzu ist in dem im wesentlichen quaderförmigen Probenendenaufnahmekörper 6 eine dem Probenende angepaßte Ausnehmung 7 eingebracht, in die das Probenende eingesetzt werden kann. In dem Probenendenau­ fnahmekörper 6 sind zwei Querbohrungen 8 angeordnet, durch die jeweils eine Gewindeschraube 9 eingeschraubt werden kann. Auf das aus dem Probenendenaufnahmekörper 6 ragende Schraubenende wird jeweils eine Mutter 10 geschraubt, so daß das Probenende kraftschlüssig mit dem Probenendenaufnahmekörper verbindbar ist. Für die sichere Einspannung der Proben können in die die Ausnehmung begrenzenden Wände Rillen eingebracht werden, die sich beim Einspannen der Probe zahnartig in die Probe einsetzen und zusätzlich zur kraftschlüssigen Aufnahme eine formschlüssi­ ge Aufnahme der Probe bewirken.

An der der Belastungseinrichtung 3 zugewandten Seite des Pro­ benendenaufnahmekörpers 6 sind zwischen dem Probenendenaufnahm­ ekörper 6 und der Belastungseinrichtung 3 zwei rechteckförmige Federelemente 11, 11′ befestigt. Jedes Federelement 11, 11′ ist um eine Achse 12, 12′ biegeelastisch. Die beiden Federelemente 11, 11′ sind derart in Längsrichtung hintereinander angeordnet, daß die biegeelastische Achse des ersten Federelementes 11 und des zweiten Federelementes 11′ orthogonal zueinander und je­ weils orthogonal zur Längsrichtung d. h. zur Belastungsrichtung stehen. Durch die um 90° versetzte Anordnung der Federelemente 11, 11′ können sämtliche Verlagerungen des Probenendenaufnahm­ ekörpers 6 in Bezug auf die Belastungsachse 4 ausgeglichen wer­ den. Es können sowohl Schiefstellungen als auch ein Achsversatz des Probenendenaufnahmekörpers 6 in Bezug auf die Belastungs­ achse 4 korrigiert werden.

Es ist auch möglich, beispielsweise nur die obere Einspannvor­ richtung mit den im Kraftfluß angeordneten Federelementen 11, 11′ auszustatten. Bei der oberen Einspannvorrichtung sind die Federelemente 11, 11′ zwischen Probenendenaufnahmekörper 6 und einer Kraftmeßdose angeordnet. Bei der unteren Einspannvorrich­ tung kann dann auf die Federelemente 11, 11′ verzichtet werden, d. h. der Probenendenaufnahmekörper 6 wird dann direkt mit der Belastungseinrichtung verbunden.

Um auch Zugversuche bei Temperaturen um ca. 2000°C durchführen zu können, werden Federelemente 11, 11′ und der Probenendenau­ fnahmekörper 6 der unteren und oberen Einspannung aus CFC (car­ bonfaserverstärktem Kohlenstoff) eingesetzt. Die Federelemente 11, 11′ werden dann der Einfachheit halber einteilig gefertigt, so daß die Verbindungsmittel zum Verbinden der einzelnen Feder­ elemente 11, 11′ entfallen können.

Claims (4)

1. Biegemomentfreie Einspannung für Proben in Prüfmaschinen mit zur kraft- und/oder formschlüssigen Aufnahme ausgebil­ deten Probenendenaufnahmekörpern und zumindest einer eine Belastungsachse aufweisende Belastungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einem Probenendeaufnahme­ körper (6) im Kraftfluß zumindest ein Element (11, 11′) angeordnet ist, wobei das Element (11, 11′) um zwei Achsen (12, 12′) biegeelastisch ausgebildet ist, und die Achsen (12, 12′) jeweils orthogonal zueinander und jeweils ortho­ gonal zur Belastungsachse (4) angeordnet sind.

2. Biegemomentfreie Einspannung für Proben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Probenendenaufnahme­ körper (6) im Kraftfluß jeweils zwei in Belastungsrichtung (4) hintereinander geschaltete Elemente (11, 11′) angeord­ net sind, wobei jedes Element (11, 11′) um eine Achse (12, 12′) biegeelastisch ausgebildet ist, und die Achsen der beiden hintereinandergeschalteten Elemente (11, 11′) je­ weils orthogonal zueinander und jeweils orthogonal zur Belastungsachse (4) angeordnet sind.

3. Biegemomentfreie Einspannung für Proben nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (11, 11′) als Federbleche ausgebildet sind.

4. Biegemomentfreie Einspannung für Proben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (11, 11′) und die Probenendenaufnahmekörper (6) aus CFC sind.