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Werkstoffprüfmaschine für Wechselbeanspruchung mit hydraulischem System
Die bekannten Dauerprüfmaschinen, in welchen Werkstoffproben oder ganze Konstruktionselemente
einer wechselnden Beanspruchung unterworfen werden, besitzen Einrichtungen, um die
Grenzwerte, zwischen denen die Belastung wechselt, beliebig wählen bzw. einstellen
und gegebenenfalls während des Betriebes nachregeln oder verändern zu können. In
der Regel werden hierzu zwangsläufig arbeitende Getriebe verwendet, welche in ihrem
Hub verändert werden können, um den Schwingungsausschlag dem Formänderungsweg der
Probe gemäß dem gewünschten Spannungsausschlag anzupassen. Da diese Änderung auch
während des Laufes der Maschine vorgenommen werden soll, sind verhältnismäßig teuere
und verwickelte kinematische Getriebe erforderlich, die insbesondere da zu konstruktiven
Schwierigkeiten A.nlaß geben, wo es sich um große Prüfkräfte und hohe Wechselzahlen
handelt. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß die Getriebe und deren Verstelleinrichtungen
für die volle Prüfkraft der Maschine zu bemessen sind.
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Frei schwingende, in Resonanz arbeitende Prüfmaschinen machen zwar
zwangsläufig arbeitende Getriebe dieser Art entbehrlich, benötigen jedoch verwickelte
und kostspielige Einrichtungen zum Regeln und Konstanthalten des Schwingungsausschlages
durch Beeinflussung der Erregung, der Frequenz oder der Dämpfung. Diese Maschinen
ersparen also das für die volle Prüfkraft der Maschine bemessene regelbare Getriebe,
nehmen aber dafür-, andere Komplikationen im Antrieb und in der Steuerung in Kauf.
Ihrem Wesen nach eignen sich diese frei schwingenden Maschinen vorzugsweise für
verhältnismäßig kleine Prüfkräfte.
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Es sind auch mechanisch betriebene Maschinen der ersten Art mit zwangsläufigem
Antrieb bekanntgeworden, bei welchem der Antrieb in seinem Ausschlag unveränderlich
ist. Bei diesen Maschinen sind einstellbare mechanische Anschläge, Hebel, Schrauben
o. dgl. vorhanden, mit deren Hilfe aus dem unveränderlichen Hub des Antriebsorgans
veränderliche Anteile abgefangen und in Formänderung des Prüfkörpers umgesetzt werden.
Je nach Einstellung dieser Anschläge kann der Spannungsausschlag der Probe beliebig
gewählt oder verändert werden.
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Wegen der Empfindlichkeit der mechanischen Anschläge und des mit dem
Lauf verbundenen starken Geräusches eignen sich diese Maschinen nur für vergleichsweise
niedrige Kräfte und Wechselzahlen.
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Der Erfindungsgegenstand macht sich einen ähnlichen Grundgedanken
zunutze und wendet ihn auf hydraulisch wirkende Prüfmaschinen an. Dank der dämpfenden
Wirkung des zur Druckübertragung dienenden
()les fallen die oben
für mechanische Anschläge angeführten Schwierigkeiten hinsichtlich des Geräusches
und der Wechselzahl fort,3 Da sich bei hydraulisch wirkenden Maschinen: nach dem
bekannten Prinzip der hydrauli-. schen Presse beliebige Übersetzungen @erwirklichen
lassen, unterliegen diese Maschi=: nen hinsichtlich der Größe der Prüfkraft keinerlei
Beschränkungen.
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Zur Anwendung kommen dabei Prüfmaschinen für Wechselbeanspruchungen
an sich bekannter Bauart mit hydraulischem Zylinder. Der Schwinghub zur Erzeugung
der wechselnden Beanspruchungen kann in beliebiger, an sich bekannter Weise zwangsläufig
hervorgerufen werden, beispielsweise durch eine hydraulische Pulsafionseinrichtung
oder durch einen mechanischen Schwingantrieb, ein Kurbelgetriebe o. dgl. Im Gegensatz
zu den bekannten Prüfmaschinen besitzt nun die 'Schwingeinrichtung einen konstanten,
also nicht veränderlichen Schwinghub. Um aus diesem unveränderlichen Schwinghub
beliebige, den gewünschten Spannungsausschlägen entsprechende Bewegungsanteile abfangen
zu können,: werden erfindnungsgemäß ein oder mehrere einstellbare hydraulische Widerlager
angeordnet. Als solche dienen kleine Zylinder mit darin beweglichen Kolben und Anschlägen,
also gewissermaßen kleine Speicher, die an beliebiger Stelle in das hydraulische
System der Maschine eingeschaltet werden. Die Bewegungsmöglichkeit dieser Kolben
in den Zylindern, also das nutzbare Speichervolumen, bestimmt die Größe des kräftefreien
Leerhubes, während die Anlage der Kolben an den Anschlägen die Formänderung im Prüfstab
und damit die Spannungsänderung bewirkt.
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Das Verhältnis von Lasthub zu Leerhub und damit die gewünschte Größe
der Spannungsausschläge kann bei einer erfindungsgemäßen - Werkstoffprüfmaschine
durch folgende Mittel geregelt werden: Entweder durch Verstellen der Anschläge der
Speicherkolben bei unverändert belassener Füllung oder durch Änderung der Füllung
von Maschinenzylinder und Speicher bei unverändert belassener-Stellung der Anschläge.
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Es ist verständlich, daß beispielsweise durch Verringerung der Füllung
der Leerhub grö-Ber wird, der Speicherkolben somit später zur Anlage kommt und der
Spannungsausschlag demgemäß abnimmt und umgekehrt. Ebenso ist -es klär, -daß durch
Verschieben eines Anschlages der Speicherkolben früher oder später zur Anlage kommt
und damit der Spannungsausschlag vergrößert oder verkleinert wird. Durch entsprechende
Anwendung der genannten Mittel können die Spannungsausschläge und damit die Spannungsgrenzen
beliebig gewählt werden. Es sind alle Belastungsfälle -des Dauerfestigkeitsschaubildes
!#Au 'verwirklichen, nämlich wechselnde Beanispruchungen mit der Mittelspannung
Null ;,(,,11 der Wechselfestigkeit), solche mit einer Null verschiedenen Mittelspannung
und =h'u'ch solche mit der unteren Grenzspannung Null (Fall der Schwellfestigkeit
oder C.'rsprungsfestigkeit).
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Wird bei Maschinen mit eingeschliffenem Kolben der dauernde Flüssigkeitsverlust
durch geeignete, an sich bekannte Mittel, beispielsweise Flüssigkeitsspeicher mit
gewichtsbelasteten Kolben, in Abhängigkeit von den eingestellten Lastgrenzen fortlaufend
ersetzt, so wird damit zwangsläufig der richtige Füllungsgrad von Arbeits- und Speicherzylindern
und damit das- den gewählten Lastgrenzen entsprechende Verhältnis von Lasthub und
Leerhub gewahrt.
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In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt.
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Abb. i zeigt eine Maschine mit einem Zylinder und einem Speicher,
also eine Maschine für Wechselbelastungen zwischen Spannungsgrenzen desselben Vorzeichens,
und zwar ist als Beispiel eine Maschine mit hydraulischem Pulsator gewählt. Auf
dem festen Maschinenrahmen i sitzt der Zylinder :2 mit eingeschliffenem Kolben 3.
Durch den Umführungsrahmen q. wird die im Zylinder erzeugte Kraft auf den Probekörper
5 übertragen. Der Pulsator 6 mit umveränderlichem Hub treibt in bekannter Weise
eine bestimmte konstante Ölmenge zwischen Maschinen- und Pulsatorzylinder pendelnd
hin und her. Ein veränderlicher Teil dieser Ölmenge wird nun von dem Speicherzylinder
7 aufgenommen, wobei der Speicherkolben 8 entgegen . der Federkraft 9 nach außen
gedrückt wird, bis er an dem Anschlag io zur Anlage kommt. Die weitere noch in den
Zylinder hineingedrückte Flüssigkeitsmenge bewirkt eine Drucksteigerung und damit
eine Steigerung der auf die Probe ausgeübten Prüfkraft. Die Spannung der Feder 9
ist in der Regel so gering bemessen, daß sie den Speicherkolben 8 eben zu verschieben
bzw. das Eigengewicht des Kolbens 3 und des Rahmens q. mit Spannkopf auszugleichen
vermag. Der Belastungsfall entspricht somit den Kennzeichen der Ursprungsfestigkeit
mit der unteren Grenzspannung Null, während zum Regeln der oberen Lastgrenze entweder
die Füllung des Arbeits- und Speicherzylinders verändert oder der Anschlag io verstellt
wird, derart, daß der Speicherkolben 8 früher oder später zur Anlage kommt. Weiterhin
kann durch stärkere Spannung der Feder 9 eine in an sich bekannter Weise zusätzliche
Vorspannung aufgebracht werden,: welche ein # von
i Ttill verschiedene
untere Grenzspannung bewirkt. Abb. a zeigt beispielsweise den dadurch entstehenden
Kräfteverlauf in Abhängigkeit von der Zeit. Während des Leerhubes wird das vom Pulsator
hin und her getriebene Ölvolumen von dem Speicher aufgenommen; die Belastung im
Prüfkörper entspricht dabei dem Wert U, der durch die Spannung der Feder bedingt
ist und nach obigem gleich Null oder von Full verschieden sein kann. Sobald der
Speicherkolben an seinem Widerlager zur Anlage kommt, tritt eine Drucksteigerung
auf den Wert o ein, welche der oberen Grenzspannung entspricht.
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Abb. 3 zeigt eine Maschine mit mechanischem Schwingantrieb und Doppelkolben
zur Ausübung von Zug- und Druckkräften sowie mit zwei paarweise angeordneten Speichern.
In der Grundplatte des festen Maschinenrahmens i ist der mechanische Antrieb a mit
unveränderlichem Schwinghub zur Erzeugung der wechselnderf'Kräfte eingebaut. Oben
auf dem Maschinenrahmen ist der Zylinder 3 mit eingeschliffenem Kolben q. zur Messung
der Zugkräfte sowie der Zylinder 5 mit eingeschliffenem Kolben 6 zur Messung der
Druckkräfte untergebracht. Beide Kolben stützen sich gegen einen Umführungsrahmen
7, durch welchen die vom mechanischen Getriebe erzeugten wechselnden Kräfte über
die Probe 8 auf die Meßkolben übertragen werden. Beide Zylinderräume sind mit je
einem Federspeicher verbunden, die in gleicher Weise arbeiten wie der Speicher an
der Maschine gemäß Abb. i. Bei gleicher Anspannung der beiden Federn gleichen sich
die Federkräfte aus; der Prüfkörper bleibt somit im Leerhub spannungsfrei, bis einer
der beiden Speicherkolben zur Anlage kommt. Die Lastgrenzen werden durch die Einstellung
der beiden Anschläge bzw. der Füllungsgrade beider Zylinder geregelt und können
in beliebiger Größe gewählt werden. Durch verschieden starke Anspannüng der beiden
Speicherfedern kann auch hierbei eine Vorspannung im einen oder anderen Sinn aufgebracht
werden.
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Abb. 4. zeigt eine Doppelkolbenmaschine zur Ausübung von wechselnden
Zug- und Druckkräften mit hydraulischem Pulsator mit unveränderlichem Hub, bei welcher
die Federspeicher an die Pulsatorzylinder angeschlossen sind.