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Einrichtung zum Prüfen von Werkstoffen oder Bauteilen auf Zugdruck-
oder auf wechselnde Zug-, Druck-, Biegungs- oder Verdrehungsbeanspruchung Es ist
bekannt, Werkstoffe oder Bauteile dadurch auf verschiedene Beanspruchungen hin zu
prüfen, daß sie als Teil eines schwingungsfähigen Systems in Schwingungen versetzt
werden, die in oder in der Nähe der Eigenschwingungszahl des genannten Systems liegen.
Hierbei ist auch schon von einer Erregung durch umlaufende unausgeglichene Massen
Gebrauch gemacht worden. Wirkt hierbei die Erregung unmittelbar auf das zu untersuchende
Gebilde, dann hängt die Lage der Eigenschwingungszahl im wesentlichen von der Federung
desselben ab. Sie liegt infolgedessen von vornherein innerhalb gewisser Grenzen
fest, die in den meisten Fällen für die Wuchtmassenerregung ungünstig liegen. Außerdem
muß bei dem jeweiligen Auswechseln eines Prüfkörpers die Erreger. zahl geändert
werden, falls dessen Federung von der des vorhergehenden Prüfkörpers abweicht. Dieser
vielfache Wechsel der Erregerschwingungszahl ist selbstverständlich unerwünscht.
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In anderen bekannten Prüfmaschinen ist eine zusätzliche Federung
vorgesehen, die die Federung des Prüfkörpers um ein Mehrfaches übersteigt, so daß
für die Lage der Eigenschwingungszahl die Federung dieser stets in der Maschine
bleibenden Zusatzfeder maß gebend ist. Die Feder ist dabei so angeordnet, daß sie
zu der Federung des Prüfkörpers hinzutritt, indem die Erregung an beiden gleichmäßig
angreift Daraus ergibt sich eine sehr hohe Glesamtfederung und diese bedingt wieder
eine außerordentlich hohe Eigenschwingungszahl. Es ist daher bei den Maschinen der
letztbeschriebenen Art nicht möglich, diese durch Wuchtmassen anzutreiben; vielmehr
erfolgt die Erregung auf elektrischem Wege bei außerordentlich hohen Frequenzen.
Die hierbei hervorgerufenen Kräfte sind verhältnismäßig gering, und sie lassen sich
auch mit gewöhnlichen technischen Mitteln nicht steigern.
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Es ist auch eine Prüfmaschine bekanntgeworden, bei der der Schwungmassenerreger
an dem freien Ende einer fest eingespannten Feder angeordnet ist und mittels eines
Heblels auf das freie Ende eines gleichfalls fest 'eingespannten Prüfkörpers einwirkt.
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Bei dieser Parallelschaltung der Feder mit dem gleichfalls als Feder
wirkenden Prüfkörper ändert sich die Resonanziage bei Verwendung von Prüfkörpern
mit verschiedener Federkonstante sehr starke. Deshalb arbeitet diese Maschine außerhalb
des Resonanzgebietes. Die Folge davon ist, daß nur verhältnismäßig schwache Prüfkörper
geprüft werden können. und daß trotzdem eine verhältnismäßig hohe Antriebsleistung
erforderlich ist.
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Die Prüfeinrichtung gemäß der Erfindung beseitigt diese Nachteile,
indem der Prüfling nicht unmittelbar durch die in Resonanz schwingenden Massen beansprucht
wird, sondern unter Zwischenschaltung einer Feder, die mit dem als Feder wirkenden
Prüfling in Hintereinanderschaltung angeordnet und an dem einen Prüflingsende befestigt
ist, sowie auf ihrem äußeren freien Ende den Schwingungserreger trägt. Diese Hintereinanderschaltung
erlaubt es, auch bei Prüfkörpern mit stark wechselnder Federkonstante bei stets
gleichbleibender Antriebsdrehzahl innerhalb des Resonanzgebietes zu arbeiten. Infolgedessen
können bei kleinen Antriebsieistungen, die auch einen entsprechend kleinen Platzbedarf
haben, sehr starke Prüfkörper oder auch einzelne Konstruktionsteile untersucht werden.
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Die in der Maschine verbleibende Federung ist in weiten Grenzen beliebig
wählbar. Sie kann so abgestimmt werden, daß die durch diese Federung bedingte Eigenschwingungszahl
sowohl vom Standpunkt der Erregung aus, als auch für die Prüfung vorteilhaft ist.
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Einige Ausführungsbeispiele der Prüfeinrichtung gemäß der Erfindung
sind in den Abbildungen schematisch dargestellt. Abb. I zeigt eine Anordnung für
Zug-, Druck- oder Zugdruckbeanspruchungen des Prüfkörpers.
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Abb. 2 zeigt eine andere Anordnung für die gleichen Beanspruchungen.
Durch die Anordnung nach Abb. 3 wird der Prüfkörper Biegebeanspruchungen unterworfen
und nach Abb. 4 Torsionsbeanspruchungen.
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In Abb. X ist die Feder in einem festen Bock b eingespannt und mit
einer Masse c belastet, in der sich umlaufende unausgeglichene Schwungmassend drehen.
In einem an der Feder befestigten Spannkopf ist der Prüfstab e eingespannt, an dessen
Stelle irgendein beliebiger anderer Prüfkörper, beispielsweise ein Bauteil, trcten
kann. Der andere Spannkopf des Prüfkörpers e ist am festen Teil der Maschine angebracht.
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Die Feder a bildet zusammen mit dem Prüfkörper e und den Massen c
und d ein Schwingungssystem, dessen Federung im wesentlichen durch die Feder a und
nur zu einem ganz verschwindend geringen Teil durch den Prüfkörper e bestimmt wird.
Die Masse dieses Schwingungssystems besteht im wesentlichen aus den Massen c und
d. Es ist durch geeignete Wahl der Feder a oder der Massen c und d möglich, die
Eigenschwingungszahl des Gesamtsystems so zu legen, wie es für die Prüfung und auch
für die Erregung selbst am vorteilhaftesten ist.
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Läuft die Masse d entsprechend der gewählten Eigenschwingungszahl
um, dann wird ein verhältnismäßig großer Ausschlag der Federung a hervorgerufen
und auf den Prüfkörper e übertragen. Durch die Resonanzübersetzung ist diese Kraft
gegenüber dem gewöhnlichen Wuchtmassenantrieb außerhalb der Resonanz ganz bedeutend
erhöht. Eine weitere Erhöhung tritt dadurch ein, daß die Masse d bezüglich der Einspannung
an einem wesentlich längeren Hebelarm angreift als der Prüfkörper e. Es ist demnach
ein leichtes, die Beanspruchungen des Prüfkörpers zu ändern, indem entweder die
unausgeglichene Masse 1 vergrößert oder verkleinert oder der Prüfkörpers längs der
Feder verschoben wird.
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Bei der Anordnung nach Abb. 2 befindet sich der eine Spannkopf 1
des Prüfkörpers g am festen Teil der Maschine. so daß damit der Prüfkörper festgelegt
ist, während sein anderer Spannkopf eine Feder trägt. an deren beiden Enden je eine
Masse k und 1 befestigt ist. An Stelle der einen Federi können zwei solcher Federn
treten, die beide mit ihren Enden in dem Spannkopf befestigt sind und in gleicher
Richtung liegen sowie mit den dem Prüfling zugewendeten Enden aneinanderstoßen.
Die Masse k ist wieder mit einer umlaufenden, mlt unausgeglichenen G ewichten versehenen
Massen ausgerüstet. Das Schwingungsgebilde bestcht auch hier wieder aus der Feder
i und dem Prüfkörper g und den Massen, I und m. Von der Federung ist für die Lage
der Eigenschwingungszahl wieder allein die Feder 1 maßgebend, während die Federung
des Prüfkörpers g ohne Bedeutung ist. Wird nach entsprechender Wahl der Federi und
der Massen, l und m das ganze System in oder in der Nähe der Eigenschwingungszahl
angetrieben. so schwingt die Masse k auf und ab. Ist die Federung des anderen Armes
der Feder 1 und die Masse 1 so abgestimmt, daß sie mit der Eigenschwingungszahl
des rechts befindlichen Schwingungssystems übereinstimmt, dann wird durch die Schwingung
der Masse k auch die Masse 1 zu einer im wesentlichen gleichphasigen Schwingung
erregt. Infolge der Resonanz wird hierbei eine verhältnismäßig große Kraft auf den
Spannkopf lt und den Prüfkörper g ausgeübt. Wenn keine Vorspannung hierbei vorgesehen
ist, wird der Prüfkörperg wechselnd auf Zug und Druck beansprucht. Es
kann
jedoch auch eine Vurspannung vorgesehen werden, die die bei der dynamischen Prüfung
bekannten Folgen hervorruft; Die Vorspannung läßt sich beispielsweise dadurch aufbringen,
daß eine Federn zwischen den Spannkopf Iz und den festen Teil der Maschine geschaltet
wird.
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Für den Fall, daß infolge der besonderen Verhältnisse des Prüfkörpers
und dessen Rückwirkung auf die Einspannung ein gleichphasiges Schwingen der Massen
k und 1 nicht zu erreichen ist, kann auch die Masse ebenso wie die Masse k mit einer
umlaufenden unausgeglichenen Schwungmasse versehen werden. Es ist dann dafür zu
sorgen, daß beide Massen gleichphasig angetrieben werden.
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Bei der in Abb. 2 gezeigten Anordnung werden verhältnismäßig starke
Reaktionskräfte über den Spannkopf auf den festen Teil der Maschine und damit auf
das Fundament geführt. Diese Kräfte können sich schädlich auswirken. Um dem abzuhelfen,
kann die Anlage auf schwache Lenkerfedern gesetzt werden, die eine Übertragung der
Kräfte auf das Fundament unmöglich machen. Der Prüfkörper wird in diesem Falle zweckmäßig
liegend angeordnet und die beiden gleichfalls liegenden Spanneinrichtungen ruhen
auf mehreren senkrecht stehenden Federn, wie es im Materialprüfmaschinenbau an sich
bekannt ist. Damit sich hierbei die Schwingungskräfte auf den Prüfkörper auswirken
können, ist es notwendig, den Spannkopf 1 mit einer großen Masse zu verbinden, die
selbstverständlich auch federnd zu lagern ist.
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Diese große Masse wirkt durch ihr Trägheitsmoment den Schwingungen
entgegen. so daß sich je nach Größe dieser Masse die aufgebrachten Schwingungskräfte
in praktisch voller Höhe auf den Prüfkörper auswirken.
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Es ist schließlich noch möglich, bei gleichfalls federnder Lagerung
der ganzen Maschine unter Verzicht auf die soeben erwähnte große Masse den Spannkopff
mit einer gleichen Feder und mit gleichen Massen zu verbinden wie den Spannkopf
Iz. Der Prüfkörper wird dann von beiden Seiten beIastet. Es ist bei dieser Anordnung
möglich, die Belastung dadurch zu vergrößern oder zu verkleinern, daß die Phase
zwischen den Schwingungserregern an den beiden Enden des Prüfkörpers verstellbar
ist. Arbeiten beide Schwingungserreger gleichphasig, d. h. schwingen beide zu jeder
Zeit in gleicher Richtung und in gleichem Ausmaß, dann tritt eine Beanspruchung
des Prüfkörpers praktisch überhaupt nicht ein.- Weicht dagegen die Phase der beiden
Schwingungserreger ab, dann muß natürlich eine Kraft durch den Prüfkörper hindurchgeleitet
werden, die so lange anwächst, bis die beiden Schwingungserreger mit einer Phasenverschiebung
von I80°,. also entgegengesetzt, schwingen.
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Auch bei den letztbeschriebenen Anordnungen ist es selbstverständlich
möglich, Vorspannungen auf den Prüfkörper wirken zu lassen. Dies läßt sich dadurch
verwirklichen, daß zwischen die beiden Spannköpfe j und Ii Federne geschaltet werden,
die auf Zug oder Druck beansprucht sind. Die Zwischenschaltung dieser Federn kann
unmittelbar oder mittelbar unter an sich ina Materialprüfmaschinenbau bekannter
Verwendung eines Rahmens erfolgen.
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Sollen Biegeschwingungen am Prüfkörper erzeugt werden, dann kann
die Prüfeinrichtung in der in Abb. 3 dargestellten Art ausgebildet werden. Der Prüfling
0 ist hier einerseits fest eingespannt. Die Biegeschwingungen werden dadurch hervorgerufen,
daß an dem Spannkopf p eine Feder q befestigt ist, die an ihrem äußeren Ende eine
Masse r mit darin gelagerten, umlaufenden unausgeglichenen Schwungmassen s trägt.
Die Eigenschwingungszahl wird auch hier wieder fast ausschließlich durch die Feder
q und die Massen und s bestimmt. Wird das ganze System in der Eigenschwingungszahl
oder in der Nähe derselben angetrieben, dann biegt sich der Prüfkörper hin und her.
Es ist auch hierbei möglich, eine Vorspannung aufzubringen, indem zwischen den Spannkopf
p und einen festen Teil der Maschine die Feder f zwischengeschaltet wird. Die Maschine
kann, um keine Kräfte auf das Fundament zu übertragen, in bekannter Weise auf Lenkerfedern
ruhen, und der feste Spannkopf kann hierbei mit einer großen freien Masse verbunden
werden, die den Schwingungen als Widerlager dient. Es ist aber auch bei dieser Biegeschwingungsmaschine
möglich, den Prüfkörper von beiden Seiten her anzutreiben, indem nicht nur der Spannkopfp,
sondern auch der am anderen Ende des Prüfkörpers befindliche Spannkopf mit einem
Erregersystem verbunden wird, das aus einer Feder und einer Masse besteht. Diese
Masse kann gleichfalls mit umlaufenden unausgeglichenen Schwungmassen ausgerüstet
werden. In vielen Fällen wird das aber nicht nötig sein, vielmehr- genügt die Federung
und die stillstehende Masse, die durch den jenseitigen Erreger über den Prüfstab
zu Schwingungen angeregt wird und so zur Belasamg des Prüfkörpers beiträgt.
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Um dem Prüfling Torsionsschwingungen aufzuzwingen, kann die Prüfeinrichtung
gemäß Abb. 4 ausgebildet werden. An dieser ist die Feder z um ihre Längsachse um
go° geschwenkt, so daß ihre Schwingebene senkrecht zu der Prüfkörperachse steht.
Die Feder ist auch in diesem Falle an dem Spannkopfv
des Prüfkörpers
w befestigt und trägt an ihrem äußeren Ende eine Masse, in der unausgeglichene Massen
y drehbar gelagert sind. Beim Umlauf dieser Massen wird der Prüfkörper w infolge
der Schwingungen der Federt auf Drehung beansprucht. Auch bei dieser Eeanspruchungsart
lassen sich die Erregerkräfte nicht nur von dem einen Spannkopf, sondern auch von
beiden Spannköpfen her einleiten, wenn die gesamte Maschine in geeigneter Weise,
beispielsweise auf Lenkerfedern, gelagert wird. Das Aufbringen von Vorspannungen
ist ebenfalls durch Anbringen von Vorspannfedern möglich.
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In vielen Fällen ist es zweckmäßig, einen Prüfkörper nicht nur Zug-,
Druck-, Biege-oder Verdrehungsbeanspruchungen zu unterwerfen, sondern gleichzeitig
mehrere dieser Beanspruchungen auf ihn wirken zu lassen.
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Auch das ist mit einer entsprechenden Ausführungsform der Prüfeinrichtung
gemäß der Erfindung ohne weiteres möglich. So ist es beispielsweise ohne weiteres
möglich, eine Prüfeinrichtung zu bauen, bei der die Feder und die Feder q gleichzeitig
an ein und dem selben Spannkopf angreifen, so daß Zug-, Druck- und Biegebeanspruchungen
hervorgerufen werden. Das gleiche läßt. sich auch dadurch erreichen, daß bei der
Prüfeinrichtung gemäß Abb. 2 die Massen und t verschieden groß gewählt werden, wobei
jedoch darauf zu achten ist, daß auch die Federung dementsprechend zu ändern ist,
damit beide die gleiche Eigenschwingungszahl beibehalten.
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Es ist außerdem möglich, über den einen Spannkopf die eine Belastungsart
und über den anderen Spannkopf die andere Belastungsart auf den Prüfkörper einwirken
zu lassen.
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In allen Fällen ist für den Angriff der Erregung die Lage der in
Resonanz schwingen den Masse maßgebend, auch wenn diese Masse selbst nicht unmittelbar
die-umlaufenden unausgeglichenen Schwungmassen trägt.
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So ist beispielsweise die Masse 1 bei der Prüfeinrichtung gemäß Abb.
2 ebenfalls als Erregung anzusehen. Es ist deshalb auch möglich, die unausgeglichenen
umlaufenden Massen von den für die Schwingung maßgebenden Massen k. 1, r oder x
zu trennen und die umlaufenden Massen unter Zwischenschaltung irgendeiner geeigneten
liraftübertragungsvorrichtung, beispielsweise durch Federn. auf diese Massen wirken
zu lassen, die dann ihrerseits wieder unter Zwischenschaltung der in den Abbildungen
dargestellten Federn den Prüfkörper belasten. In weiterer Ausbildung dieser Übertragungsmöglichkeit
läßt sich beispielsweise bei der Prüfeinrichtung nach Abb. 2 der Schwungmassenantrieb
unmittelbar mit dem Spannkopf h verbinden. Arbeitet dieser Antrieb mit einer Drehzahl,
die der Eigenschwingungszahl des aus der Feder i und den Massen k und t bestehenden
Schwingungssystems entspricht, dann sind die Massen k und t, auch wenn der Antrieb
nicht unmittelbar an ihnen angreift, als Erreger für den Prüfkörper zu betrachten.
Beide Massen schaukeln sich infolge der Resonanz auf und wirken dadurch auf den
Prüfkörper ein.
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Würden bei Anordnung der Wuchtmassenerregung am Spannkopf k die Massen
k und 1 sowie die zugehörige Feder fortfallen. dann wären die Belastungsverhältnisse
vollkommen andere wie bei der Prüfeinrichtung gemäß Abb. 2.
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PATENTANSPRS,;CHE: 1. Einrichtung zum Prüfen von Werkstoffen oder
Bauteilen auf Zugdruck- oder auf wechselnde Zug-, Druck-, Biegungs-oder Verdrehungsheanspruchung
mit einem durch eine oder mehrere umlaufende unausgeglichene Schwungmassen in oder
in der Nähe der Eigenschwingungszahl zu erregenden, den Prüfling enthaltenden Schwingungssystem,
gekennzeichnet durch eine mit dem als Feder wirkenden Prüfling in Hintereinanderschaltung
angeordnete und an dem einen Prüflingsende zu befestigende Feder, vorzugsweise Blattfeder,
auf deren äußerem freiem Ende der Schwingungserreger angeordnet ist.
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2. Einrichtung nach Anspruchs. bei der die Feder in ihrer Mitte mit
dem Prüfling zu verbinden ist und an ihren beiden freien Enden je eine Masse trägt,
von denen die eine oder beide die der Schwingungserregung dienenden umlaufenden
unausgeglichenen Massen enthalten.