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Gerät zur Untersuchung von Ermüdungserscheinungen in Metallen od.
dgl.
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Die Erfindung hat ein neuartiges Gerät zum Gegenstand, mit dem man
Ermüdungserscheinungen und die Dämpfungsfähigkeit oder innere Reibung von Metallen
und anderen elastischen Werkstoffen untersuchen kann.
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Dieses Gerät weist zur Hauptsache zwei elektromagnetische Einheiten
auf, mit deren einer man in einem frei aufgehängten Probestück mechanische Schwingungen,
begleitet von wechselnden Beanspruchungen, erzeugen kann, während die andere Einheit
dazu dient, mittels der erzeugten mechanischen Schwingungen eine elektromotorische
Kraft hervorzurufen. Im Stromkreis mit den beiden Einheiten ist außerdem ein Verstärker
vorgesehen, um Wechselstrom von der Resonanzfrequenz des Probestückes zuzuleiten,
damit die Schwingungsamplitude des Probestückes im wesentlichen auf einem gewünschten
Wert gehalten werden kann.
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In der Praxis wird das erfindungsgemäße Gerät so aufgebaut, daß die
erste elektromagnetische Einheit (Erregereinheit) und die zweite elektromagnetische
Einheit (Detektoreinheit) in einem Abstand voneinander längs des zu prüfenden Probestückes
angebracht werden, um eine direkte Wechselwirkung zu vermeiden. Beide Einheiten
sind dabei miteinander durch einen Verstärker verbunden, so daß sie ein einheitliches
rückgekoppeltes, selbstschwingendes System darstellen.
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Mit dem beschriebenen System ist es möglich, durch optische und/oder
elektrische Mittel die Ermüdungs
charakteristik -b'zw. die Dämpfungsfähigkeit
eines Probestückes zu bestimmen, während dieses einer Beanspruchung unterliegt,
also während es dem Versuch unterzogen wird.
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In der Zeichnung ist der Eründungsgedanke an Beispielen schematisch
dargestellt.
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Nach Fig. I ist ein Probestück I, das vorzugsweise die Form eines
Doppelpendels hat, frei innerhalb einer elektromagnetischen Erregereinheit 2 und
einer ebensolchen Detektoreinheit 3 aufgehängt. Diese Einheiten können an sich,
falls das Probestück einer.
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Torsionsschwingung unterzogen werden soll, nach den Grundsätzen aufgebaut
sein, die in der britischen Patentschrift 576 275 erläutert sind. Jede Einheit erhält
hiernach ein Spulensystem, das die Probe frei umfaßt und Abschnitte aufweist, die
parallel zur Achse der Probe laufen und durch bogenförmige Stücke über brückt werden,
derart, daß Probestück, Spulen system und die sich anschließenden Pole eines festen,
äußeren magnetischen Feldes in einer Ebene bzw. Richtung liegen. Falls das Probestück
Quer- oder Längsschwingungen unterworfen werden soll, werden die Einheiten in Abwandlung
der bekannten C;rundsätze gebaut, wie sie beispielsweise bei Drehspulenlautsprechern
angewendet werden.
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Zur Vereinfachung der Beschreibung soll das erfindungsgemäße Gerät
für den Fall einer Torsionsschwingung betrachtet werden, wobei das Probestück vorteilhaft
an einem feinen Stahldraht 4 von etwa 0,15 mm Durchmesser aufgehängt wird, welcher
sich in Richtung der Schwingachse erstreckt. Naturgemäß -ist es auch bei jeder anderen
Art einer Vibration notwendig, zur Durchführung der Messungen die Probe frei aufzuhängen,
damit der Anteil an Schwingungsenergie, der durch die Aufhängung verlorengeht, soweit
wie möglich reduziert werden kann.
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Die elektromagnetischen Einheiten 2 und 3 sind mit den Polen (Abgabe
und Aufnahme) eines Verstärkers 5 verbunden, so daß die elektromotorische Kraft,
die in der Einheit 3 durch die Vibration der Probe I induziert wird, verstärkt wird
und sich demgemäß in der Einheit 2 der zur Aufrechterhäkling der Schwingung erforderliche
Strom aufrechterhalten- läßt.
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Die Schwingungsamplitude der Probe kann durch die Streuung eines
Lichtstrahles angezeigt werden, der auf einen kleinen an der Probe angebrachten
Spiegel 6 fällt, und/oder durch die Messung der in der Einheit 3 entstehenden Spannung
mittels einer geeichten Verstärker-Volimete'r-Kombination' 7.
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Um den Leistungsstrom des Verstärkers unabhängig von kleinen Änderungen
der Schwingungsamplitude des Probestückes konstant zu halten; weist das erfindungsgemäße
' Gerät die in Fig. 2 dargestellten Mittel auf. Es sind dort zwei Verstärkersysteme
5a und 5£ vorgesehen, wobei das' System Sb'mit'der Aufnahineseite des Systems 5,
parållel geschaltet ist, während die Leistungsseite durch einen Gleichrichter 8
gleichgerichtet wird, um eine Spannung zu erzielen, die in der Lage ist, die'Gitt'ervorspannung
einer Röhre im System Sa zu steuern, das einen für Gittervorspannungen empfindlichen
Verstärkungsfaktor besitzt. So ruft jèder Wechsel m der durch die 3Einheit'3 gelieferten
Spannung, die proportional der Beanspruchllng in der Probe -vefläuft, eine Steuervorspannung
hervor, die den Verstärkungswert des Systems 5 ändert, so daß ein Leistungsstrom
aufrechterhalten wird, der bei einem gewünschten Wert konstant ist.
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Um den höchsten Wirkungsgrad für die Erregung der Schwingung in der
Probe zu erreichen, ist es angebracht, in dem Verstärker system als Ganzem einen
Phasenwandlungskreis vorzusehen, so daß die Phase der Ströme, die in der Probe durch
die Einheit z induziert werden, dazu benutzt werden kann, eine möglichst große Verstärkung
der mechanischen Schwingung zu bewirken.
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Zweckmäßigerweise wird mit den Windungen der Einheit 2 ein Drehkondensator
oder eine Selbstinduktionsspule verbunden, so daß der Stromkreis auf. die Resonanzfrequenz
der Probe abgestimmt werden kann, wodurch dem Verstärker eine widerstandsfähige
Belastung geboten wird.
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Durch Einstellung der Empfindlichkeit der Verstärkersysteme Sa und
5b> z. B. mit Hilfe von Potentiometern, welche die Bruchteile der von der Einheit
3 auf das Röhrengitter in den entsprechenden Verstärkeren übertragenen Spannung
steuern, kann eine vollkommene Steuerung der Schwingungsamplitude der Probe über
einen großen Wertbereich erreicht werden.
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Das an Hand der Fig. I und 2 erläuterte Gerät kann zur Bestimmung
einerseits der Ermüdungsmerkmale des Werkstoffes und andererseits der Dämpfungsfähigkeit
des Werkstoffes eines Probestückes in Abhängigkeit von der Beanspruchung verwendet
werden.
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Zur Durchführung von Ermüdungsforschungen kann man mit dem beschriebenen
Gerät durch einen konstanten Leistungsstrom des Verstärkers 5 ein dauernd wechselndes
Drehmoment auf die Probe ausüben und die wechselnde Amplitude der Beanspruchung
beobachten, die dieses Drehmoment hervorruft. Das Verhältnis der erzeugten Beanspruchung
zur Zahl der. Schwingungen läßt sich dann graphisch darstellen. Die auf diese Weise
erhaltenen Angaben können als eine Bestimmung des Anfangs der Ermüdung angesehen
werden.
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Bei Versuchen sind, um ein Beispiel zu nennen, der Einfachheit halber
solche Probestücke benutzt worden, die eine Eigenschwingungsfrequenz in der Größenordnung
von 1500 Perioden pro Sekunde besitzen. Wenn man in dem erfindúngsgemäßen Gerät
eine derartige Probe 54 Millionen Beanspruchüfl'gsperioden in 10 Stunden aussetzt,
kann man in deren Verlauf nützliche Erkenntnisse hinsichtlich der physikalischen
Eigenschaften des- Werkstoffes erzielen. Dies stellt einen grundsätzlichen Unterschied
zu den bekannten Verfahren einer Ermüdungsprüfung dar, bei denen die Probe mittels
eines Elektromotors einer wechselnden Beanspruchung unterworfen wird und bei denen
ungefähr 300 Stunden notwendig sind, um die Prüfung vollständig durchzuführen, wenn
man 50 Umkehrungen pro Sekunde annimmt, abgesehen davon, daß hierbei vor der vollständigen
Durchführu'ng des Versuchs keinerlei Aufschluß-zu erlangen ist.
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Will man andererseits mittels des erfindungsgemäßen Gerätes die Dämpfungsfähigkeit
des Werkstoffes studieren, so kann dieses Merkmal als das Verhältnis des pro Schwingungsperiode
eintretenden Energieverlustes zu der gespeicherten Energie dieser Periode angesehen
werden. Da bei den meisten Werkstoffen die Dämpfungsfähigkeit der Funktion der Beanspruchung
nicht konstant ist, kann man sie mit dem neuartigen Gerät dadurch erforschen, daß
man die Beziehungen zwischen dem Leistungsstrom des Verstärkers und der durch ihn
hervorgerufenen Beanspruchung beobachtet, wie sie durch die Leistungsspannung der
Einheit 3 oder durch die Streuung eines im Spiegel 6 reflektierten Lichtstrahles
angezeigt wird.
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Das Gerät kann dabei so geeicht sein, daß es absolute Werte der Dämpfungsfähigkeit
anzeigt, aus denen man dann die tatsächlichen Werte für den Werkstoff der Probestücke
erhalten kann, und zwar entweder durch die Kenntnis der elektromechanischen Energieumkehrungsfaktoren
des Systems oder durch die Bestimmung des Maßes des Abklingens freier Schwingungen
in der Probe über einen Beanspruchungsbereich, für den der Verstärkerleistungsstrom
gegenüber der Beanspruchungscharakteristik bekannt ist.
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Um die Möglichkeit eines Irrtums, der bei der Verstärker-Voltmeter-Kombination
7 entstehen könnte, aufs äußerste zu verringern, kann man das Verhältnis der in
der Einheit 3 erzeugten elektromotorischen Kraft zu dem Strom, welcher der Einheit
2 zugeführt wird, unmittelbar messen. Dieses Verhältnis steht dann in direkter Beziehung
zu der Dämpfungskapazität der Probe, wie schon oben erwähnt ist.
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Vorzugsweise wird zu dem eben genannten Zweck, wie in der Fig. 3
dargestellt, eine dem der Einheit 2 zugeführten Strom proportionale Spannung an
eine Elektronenröhre g gelegt, und zwar als Ergebnis des Spannungsabfalls in einem
Widerstand 10, der in Reihe mit der Einheit 2 liegt. Die Elektronenröhre g wird
in Verbindung mit einem Widerstand R1 als eine stabile Verstärkungsstufe von etwa
Einheitsverstärkung benutzt, so daß die Wechselspannung, die über R1 entwickelt
wird, nahezu gleich dem Spannungsabfall über dem Widerstand 10 ist. Eine zweite
Elektronenröhre 12 dient in Verbindung mit einem Widerstand R, zur Erzeugung einer
Wechselspannung über dem Widerstand Rv, die annähernd gleich der in der Einheit
3 erzeugten Spannung ist. Ein bekanntes Verhältnis der Spannung, die über R1 entwickelt
wird, wird mit Hilfe des Kopfhörers 14 oder eines Oszilloskops oder ähnlicher Mittel
gegen die ganze Spannung oder einen bekannten Bruchteil der Spannung ausgeglichen,
die über Rv entwickelt wird.
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Die Theorie, die der zuletzt beschriebenen Anordnung zugrunde liegt,
beruht auf einer Annahme, dpr nämlich, daß der in der Einheit 2 fließende Strom
die gleiche Phase hat wie die in der Einheit 3 entwickelte Spannung oder daß eine
etwaige Differenz durch den obenerwähnten Phasenverschieber ohne ernstlichen Nachteil
für die Gesamtwirkung des Systems ausgeschaltet werden kann. Das bietet aber bei
gut leitenden Proben aus nicht magnetischem Material keine Schwierigkeit.
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Setzt man rl, rv = Widerstände von R1, Rv zwischen Anzapfungen und
Erde, C = Strom in der Einheit 2, V = die in der Einheit 3 durch die Bewegung der
Probeentwickelte Spannung, Uv = Stufengewinn der Kombination 12 und Rv, der zwischen
dem Gitter und der Erde für die Aufnahme und von der Kathode zur Erde für die Abgabe
entsteht, Ul = Stufengewinn der Kombination 9 und R1 in gleicher Weise betrachtet,
s = Widerstand von 10, so ergibt sich V = Ul %1Rv8.
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U,, R1 r Wenn dz, und s =nt, ist, so ist r1 V U1 X X sC.
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Uv nl Hieraus ergibt sich das Verhältnis C Uv t1 1 v U1 nV In dem
Gerät sind U, und Uv je gleich 0,92 für gleichartige Röhren mit einem Anodenwiderstand
von 10 000 Ohm und mit einem Verstärkungsfaktor von 20, und für Rv = R1 = 20 ovo
Ohm ist somit gleich der Einheit.
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Die Stromkreisanordnung erzeugt beständige Werte Uv und U1 trotz
Änderungen in der zugeführten Spannung und der Röhrencharakteristik.
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Der Zweck der Röhren g und I2 ist die Isolierung der Spannung im
Kreis der Einheit 2 von dem Kreis der Einheit 3 beim Fehlen eines Ausgleichs in
dem -Gerät.
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Auch nv kann als Bereichsvergrößerer dienen, und n, kann durch den
Schieber von R1 ständig geändert werden.
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Der Widerstand s von 10 kann so gewählt werden, wie es für den die
Einheit 2 enthaltenden Kreis zweckmäßig ist.
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Das so erhaltene Verhältnis 1. kann unmittelbar an einer an r1 angebrachten
Teilscheibe abgelesen werden und kann unmittelbar in Dämpfungskapazität umgewandelt
werden, sei es aus der Kenntnis der elektromechanischen Umwandlungsfaktoren für
die Einheiten 2 und 3, sei es durch Messung der Dämpfung der Probe mit Hilfe eines
frei schwingenden Zeitmeßgerätes für das Abklingen über einen Beanspruchungsbereich,
für den das Verhältnis CI bekannt ist.