DE10204258A1

DE10204258A1 - Verfahren und Prüfvorrichtung zur Dauerschwingprüfung von Prüflingen

Info

Publication number: DE10204258A1
Application number: DE10204258A
Authority: DE
Inventors: Attila Alt
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Alt Attila 28203 Bremen De
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2002-02-02
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2022-02-03
Also published as: DE10204258B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Prüfvorrichtung zur Dauerschwingprüfung von Prüflingen wie von Werkstoffproben, Bauteilen oder Bauteilverbindungen. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Prüfvorrichtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden und eine einfache, kleine, leichte und geräuscharme Prüfvorrichtung zu schaffen, die Prüflinge wie Werkstoffproben oder Bauteile oder Bauteilverbindungen mit minimaler Antriebsleistung in der Art, Richtung und Frequenz veränderlich und harmonisch belastet, ohne ihr Fundament in Schwingungen zu versetzen, wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass durch den Prüfling ein offener Rahmen (1) geschlossen wird oder zwei Abschnitte eines geschlossenen Rahmens (1) miteinander verbunden werden, wobei eine Eigenschwingung der vom offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildeten Struktur, die mindestens vier Knotenpunkte besitzt, die innerhalb der Struktur auf einer Ebene liegen, welche die Schwingungsebene der Struktur ist, oder die senkrecht zu den Schwingungsebenen der Struktur steht, den Prüfling (2) dynamisch belastet, und wobei die Struktur in Richtung einer Torsions- oder Biegebeanspruchung ihrer Eigenschwingung höchstens je zwei Gelenke besitzt, und wobei die Struktur so ausgelegt wird, dass sie gegenüber einer den Prüfling (2) ermüdenden Schwingbeanspruchung dauerfest ist und eine beabsichtigte Vorspannung ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dauerschwingprüfung von Prüflingen wie Werkstoffproben, Bauteilen oder Bauteilverbindungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Prüfvorrichtung zur Erzeugung von Belastungen eines Prüflings gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7.

In den DE 43 41 127 A1, DE 31 02 778 A1, DE 29 42 263 A1, DE 25 22 890 C3, DE 14 73 649, DE 9 57 981, DE 8 72 667 und CH 329426 werden Resonanzprüfvorrichtungen für wechselnde oder schwellende Belastungen von Werkstoffproben, Bauteilen oder Bauteilverbindungen beschrieben. Sie verbinden den Prüfling, Schwungmassen und Federn zu unterschiedlichen schwingungsfähigen Systemen. Federn in Parallelschaltung zum Prüfling dienen dem Vorspannen des Prüflings, Federn in Reihenschaltung der Einflußnahme auf die Prüffrequenz.

Geeignete Antriebe versetzen und betreiben die Anordnungen in Eigenschwingung.

Die strukturelle Aufteilung in Federn und Massen ist bei diesen Vorrichtungen bewußt gewählt. Federsteifigkeiten und Massen werden einstell- oder auswechselbar variiert, um bei gegebenen Vorspannkräften gewünschte Prüffrequenzen zu erreichen.

Für die Dimensionierung der Federn hinsichtlich Steifigkeit und Beanspruchung und der Massen hinsichtlich Prüffrequenz und Schwingungsamplitude gibt es einfache Berechnungsformeln. Die Federn sind relativ zum Prüfling nachgiebig, bei einer Parallelschaltung im Sinne einer geringen Schwingbeanspruchung, bei einer Reihenschaltung im Sinne der Einflußnahme auf die Prüffrequenz.

Die Massen sind groß, um den Einfluß unterschiedlicher Steifigkeiten verschiedener Prüflinge auf die Prüffrequenz klein zu halten. Die Knotenpunkte der Schwingung der Vorrichtung variieren mit dem Prüfling. Keine der Vorrichtungen ist frei von Reaktionskräften in den Knotenpunkten der Eigenschwingung gelagert.

Der universelle Anspruch der Vorrichtungen an eine Prüffrequenz unabhängig von dem variierenden elastischen Verhalten eines wechselnden Prüflings bringt die Nachteile des großen Gewichtes, der geringen Ausnutzung der Werkstofffestigkeit der Schwungmassen, der schwingungsbehafteten Lagerung, der Beschränkung auf eine Belastungsart, einer großen Anzahl von Vorrichtungseinzelteilen und der großen Schwingungsdämpfung wegen einer großen Anzahl von Verbindungsstellen mit sich.

Verschiedene Ausführungsformen und Antriebe beinhalten weitere Nachteile.

Die Prüfvorrichtungen belasten den Prüfling direkt oder mit einer Feder in Reihenschaltung zwischen zwei gegenläufig schwingenden Massen.

Bei den Vorrichtungen bzw. den Maschinen in DE 43 41 127 A1, DE 31 02 778 A1, DE 25 22 890 C3, DE 14 73 649, DE 957 981 und CH 329426 ist eine der beiden Massen besonders groß gewählt, um ihre Schwingungsamplitude klein zu halten. Sie wird federnd oder mit Gummifüßen dämpfend auf dem Fundament gelagert.

Bei der Vorrichtung in DE 29 42 263 A1 sind die beiden Massen jeweils federnd mit dem Fundament verbunden. Nur im Ausnahmefall sind die Federkräfte gleich groß. Die resultierende Federkraft regt das Fundament zu Schwingungen an.

Die Massenschwerpunkte der Vorrichtungen in DE 43 41 127 A1, DE 31 02 778 A1, DE 29 42 263 A1, DE 25 22 890, DE 14 73 649, DE 11 11 863, DE 8 72 667 und CH 329426 oszillieren in einer Linie mit den Aufnahmepunkten für den Prüfling. Die Massen- und Federkräfte belasten den Prüfling ohne Hebelwirkung. Mit einer Hebelwirkung könnten bei reduziertem Gewicht gleiche Frequenzen erreicht werden.

In der DE 9 57 981 wird die einstellbare Hebelwirkung einer federnd abgestützten gelenkig gelagerten Wippe genutzt. Die Gleit- oder Rollbewegungen im Gelenk dämpfen die Schwingung.

Öl- und Gasfedern in DE 29 42 263 A1 und DE 25 22 890 und aufliegende Ringfedern in DE 14 73 649 verformen sich mit Relativbewegungen, deren Reibung die Eigenschwingung dämpft.

Die Anregungskräfte der Exzenter-Unwuchtantriebe in DE 14 73 649, DE 9 57 981 und DE 8 72 667 ändern sich nur mit deren Drehzahl. Die Amplitude der Prüflast wird über die Differenz von Anregungs- und Resonanzfrequenz geregelt. Die erforderliche Antriebsleistung ist wesentlich größer als bei voller Resonanzverstärkung.

Die hydraulischen Antriebe in DE 29 42 263 A1 und DE 25 22 890 haben im Vergleich zu Antrieben mit Hilfe von Elektromagneten oder elektromotorisch angetriebenen Unwuchtmassen große Verlustleistungen. Das Hydraulikaggregat und die Servoventile der Ansteuerung sind laut und die Servoventile verschleißanfällig.

DE 23 61 349, DE 22 44 630 und Heft 182 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik E. V. (FVA) von 1985 beschreiben weitere Resonanzprüfvorrichtungen für rein wechselnde Belastungen von Werkstoffproben, Bauteilen oder Bauteilverbindungen. In der Funktion der einzigen Feder verbindet der Prüfling zwei Trägheitskörper zu einem Schwingsystem. Der Prüfling läßt sich nicht vorspannen. Die Knotenpunkte der Eigenschwingung liegen im Prüfling und werden deshalb nicht für eine schwingungsfreie Lagerung genutzt. Die schwingenden Trägheitskörper sind in Belastungsrichtung vergleichsweise nachgiebig federnd gelagert. Die Ausführung dieser Lager in DE 22 44 630 und Heft 182 der FVA als Schraubenfedern machen die Maschinen anfällig für eine Anregung einer Eigenschwingung mit einer nicht beabsichtigten Torsionsbelastung des Prüflings.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Prüfvorrichtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden und eine einfache, kleine, leichte und geräuscharme Prüfvorrichtung zu schaffen, die Prüflinge- wie Werkstoffproben oder Bauteile oder Bauteilverbindungen mit minimaler Antriebsleistung in der Art, Richtung und Frequenz veränderlich und harmonisch belastet, ohne ihr Fundament in Schwingungen zu versetzen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den Prüfling ein offener Rahmen geschlossen wird oder zwei Abschnitte eines geschlossenen Rahmens miteinander verbunden werden, wobei eine Eigenschwingung der vom offenen oder geschlossenen Rahmen und Prüfling gebildeten Struktur, die mindestens vier Knotenpunkte besitzt, die innerhalb der Struktur auf einer Ebene liegen, welche die Schwingungsebene der Struktur ist, oder die senkrecht zu den Schwingungsebenen der Struktur steht, den Prüfling dynamisch belastet, und wobei die Struktur in Richtung einer Torsions- oder Biegebeanspruchung ihrer Eigenschwingung höchstens je zwei Gelenke besitzt, und wobei die Struktur so ausgelegt wird, dass sie gegenüber einer den Prüfling ermüdenden Schwingbeanspruchung dauerfest ist und eine beabsichtigte Vorspannung erträgt.

Die Prüfvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfling einen offenen Rahmen schließt oder zwei Abschnitte eines geschlossenen Rahmens verbindet, eine Eigenschwingung dieser von dem offenen oder geschlossenen Rahmen und Prüfling gebildeten Struktur, die mindestens vier Knotenpunkte besitzt, die innerhalb der Struktur auf einer Ebene liegen, welche die Schwingungsebene der Struktur ist oder die senkrecht zu den Schwingungsebenen der Struktur steht, den Prüfling dynamisch belastet, und eine innere Verspannung des geschlossenen Rahmens oder die gegenseitige Verspannung von offenem Rahmen und Prüfling die statische Belastung erzeugt.

Die Merkmale beschreiben das Prinzip der Prüfvorrichtung.

Das Spektrum der Aufgabenstellung wird durch die abgestimmte Wahl von Struktur und angeregter Eigenschwingung und die beanspruchungsgerechte Dimensionierung der Struktur erfüllt.

Strukturvarianten ergeben sich aus der Anordnung des Prüflings innerhalb der von einem offenen oder geschlossenen Rahmen und einem Prüfling gebildeten Struktur und werden weiterhin in den Unteransprüchen beschrieben.

Unter Verwendung gleicher Werkstoffe oder von Werkstoffen gleicher Festigkeit kann die Vorrichtung immer schwingfest im Vergleich zum Prüfling und für eine Vorspannung an dessen Fließgrenze ausgelegt werden.

Im Sinne einer Materialeinsparung können der offene oder geschlossene Rahmen und der Prüfling für eine ähnlich große Beanspruchung dimensioniert werden.

Die Nutzung der Unteransprüche bietet weitere Möglichkeiten, Größe und Gewicht der Vorrichtung bei einer Vorgabe von Frequenz und Verhältnis der Beanspruchung von offenem oder geschlossenen Rahmen zu Prüfling zu minimieren. Die resultierenden Trägheitskräfte der Eigenschwingung belasten den Prüfling mit Hebelwirkung. Die Hebel können nach den Ansprüchen 3 und 10 vergrößert werden.

Die Vorrichtung nach Anspruch 10 kann nach Anspruch 12 in der nächst höheren Eigenschwingung gleicher Beanspruchungsart betrieben werden.

Die obere Grenze möglicher Eigenfrequenzen liegt oberhalb von 1 kHz.

Die Eigenfrequenz der Vorrichtung nach Anspruch 11 ist verstellbar.

Die Belastung kann nach Anspruch 14 bis an die Grenze der Meßbarkeit reduziert werden.

Anspruch 9 ausgeschlossen erfolgt der Betrieb der Vorrichtungen ohne Gleit-, Roll- oder Stoßvorgänge. Es wird nur eine Eigenschwingung der Vorrichtung angeregt. Das Betriebsgeräusch enthält nur die Eigenfrequenz.

Die Antriebskräfte verrichten nur einmal die Verformungsarbeit der Struktur für die größte Auslenkung in ihe Eigenform. Sie verteilt sich auf mehrere Schwingungsperioden mit wachsender Amplitude. Abgesehen davon gleichen die Antriebskräfte nur eine mögliche Schwingungsdämpfung aus.

Die Vorrichtung kann auch frei von Reaktionskräften in den Knotenpunkten ihrer Eigenschwingung gelagert sein.

Der offene oder der geschlossene Rahmen und die nach den Ansprüchen 3 und 10 mit dem Rahmen verbundenen Trägheitskörper sind so dimensioniert, dass sie gegenüber einer Schwingbeanspruchung, die den Prüfling ermüdet, dauerfest sind. Der Rahmen ist so dimensioniert, daß er eine beabsichtigte Vorspannung erträgt.

Der Betrieb in Eigenschwingung erfolgt nach bevorzugter Ausführungsform mit Hilfe von Elektromagneten.

Ein Meßsignal der Eigenschwingung wird für die Ansteuerung der Elektromagneten ohne Veränderung der Frequenz verarbeitet und verstärkt.

Eine erste Anregung kann mechanisch durch ein Anstoßen der Eigenschwingung oder ebenfalls elektromagnetisch durch Störimpulse oder Ähnliches erfolgen.

Magnetenpaare können an der Struktur befestigt sein und gegenläufig mitschwingen oder nur je ein Magnet ist an der schwingenden Struktur befestigt und der jeweils zweite ist an dem Fundament befestigt, in welchem die Struktur gelagert ist. Sie können sich wechselnd anziehen oder abstoßen oder anziehen und abstoßen. Ein ferromagnetischer Teil der schwingenden Struktur oder Körper auf dem Fundament kann einen Magnet eines Paares ersetzen, wenn die Frequenz der Anregung halbiert wird oder ihre Kraft höchstens während einer halben Periode wirkt.

Die Elektromagnete sind so angeordnet, daß ihre Anregung keine resultierende Kraft in der Lagerung der Struktur erzeugt. An den Stellen der größten Schwingungsamplituden verrichten sie die größtmögliche Arbeit.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen der Prüfvorrichtung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung von Eigenformen eines quadratischen Rahmens mit einheitlichem Profil,
Fig. 2 Beispiele von Strukturvarianten und ihre möglichen Prüfbelastungen,
Fig. 3 Darstellungen der Prüfvorrichtung für Zugschwellbelastung einer hochvorgespannten Schraube-Mutter-Verbindung,
Fig. 4 Darstellungen der Prüfvorrichtung für Biegewechsel- oder -schwellbelastung einer hochvorgespannten Schraube-Mutter-Verbindung,
Fig. 5 Darstellungen der Prüfvorrichtung für kombinierte Zug- und Biegeschwellbelastung einer hochvorgespannten Schraube-Mutter-Verbindung,
Fig. 6 eine Prüfvorrichtung für die Biegewechselbelastung und statische Torsion einer Welle mit Kerbform,
Fig. 7 eine Prüfvorrichtung für die Torsionswechsel- oder -schwellbelastung eines Kerbstabes,
Fig. 8 eine Prüfvorrichtung für kombinierte Torsions- und Biegewechsel- oder -schwellbelastung einer Welle-Nabe-Verbindung mit Keilprofil,
Fig. 9 eine Prüfvorrichtung für die Torsionswechselbelastung eines Kerbstabes und
Fig. 10 eine Prüfvorrichtung für die Zug/Druckwechselbelastung einer Pleuelstange.
Das Verfahren nach der Erfindung dient der Dauerschwingprüfung von Werkstoffproben oder von Bauteilen oder Bauteilverbindungen, die als Prüfling in eine Prüfvorrichtung eingebracht werden, z. B. als eine Schraube- Mutter-Verbindung nach den Fig. 3 bis 5.
Das Verfahren beschreibt das Prinzip einer Prüfvorrichtung, die den Prüfling je nach Auslegung durch

- eine Zug- oder Druckkraft,
- ein Biegemoment,
- ein Torsionsmoment,
- die Kombination einer Zug- oder Druckkraft und eines Biegemomentes oder
- die Kombination von Torsions- und Biegemoment

Die Prüfvorrichtung wird aus einem offenen oder einem geschlossenen Rahmen und einem Prüfling gebildet. Die Eigenschwingung dieser Struktur belastet den Prüfling dynamisch.
Der Zeitverlauf der Belastung ist sinusförmig. In der Richtung kann die Belastung wechseln oder schwellen. Gegebenenfalls können sich die statische und dynamische Belastungsart unterscheiden.
Der geschlossene Rahmen kann insich und der offenen Rahmen kann gegen den Prüfling statisch verspannt werden.
Die Eigenschwingung des Rahmens kann durch Trägheitskörper, die fest an den Rahmen gebunden sind, beeinflusst werden.
Die Trägheitskörper 1a entsprechend der Darstellung in den Fig. 3, 5 und 8 bis 10 verformen sich in der Eigenschwingung elastisch. Entsprechend der Darstellung in der Fig. 4 schwingen sie starr.
Die Eigenschwingung der von einem offenen oder geschlossenen Rahmen und einem Prüfling gebildeten Struktur besitzt vier Knotenpunkte. Sie liegen innerhalb der Rahmenstruktur auf einer Ebene. Zwei mögliche Eigenformen werden unterschieden:

- Die Struktur schwingt in der Ebene der Knotenpunkte.
- Die Struktur schwingt senkrecht zur Ebene der Knotenpunkte.

Fig. 1 zeigt die entsprechenden Eigenformen 1b eines quadratischen Rahmens 1 mit einheitlichem Profil. Die Beanspruchung der Eigenformen 1b ist in der linken Spalte durch Biegung und in der rechten Spalte durch eine Kombination von Torsion und Biegung gekennzeichnet.
Beiden Eigenformen 1b nach Fig. 1 ist eine Schubbeanspruchung überlagert. Sie verringert sich mit zunehmendem Verhältnis von Länge zu Höhe der Rahmenseiten.
In Verbindung mit Trägheitskörpern 1a oder Gelenken verändert sich der Verlauf oder die Art dieser Beanspruchungen des Rahmens.
Die Fig. 2 zeigt Strukturvarianten und ihre Eigenformen für typische Prüfbelastungen (Belastungsarten), der Prüfling ist darin "grau" dargestellt.
Bei gleicher Struktur und Eigenform werden mögliche statische Prüflasten unterschieden.
In den folgenden Anwendungsbeispielen wird auf die in der Fig. 2 dargestellten Varianten 1 bis 22 Bezug genommen.

Anwendungsbeispiele

Die Anwendungsbeispiele der Fig. 3 bis 5 dienen der Dauerschwingprüfung hochvorgespannter Schraube-Mutter- Verbindungen 2 bei Zug- und Biegebelastung und deren Kombination, beispielsweise für Schrauben der Größe M6 bis M24.
Die geschlossenen Rahmen 1 ihrer schwingenden Strukturen sind so dimensioniert, daß sie eine Vorspannung der Schraube 2 in Höhe ihrer Streckgrenze ohne plastische Verformung ertragen.
Rahmen 1 und Trägheitskörper 1a sind so dimensioniert, daß sie eine Schwingungsamplitude, bei welcher die Schraube 2 ermüdet, ohne Dauerbruch ertragen und die Eigenform die gewünschte Eigenfrequenz hat.
Rahmen 1 und Trägheitskörper 1a sind auf Stiften in einer Grundplatte 4 gelagert. Die Stifte befinden sich in den Knotenpunkten 5 der Eigenschwingung.
Im Schwingungsbauch der Eigenform sind Dehnmessstreifen 7 auf die Seiten des Rahmens 1 geklebt. Sie messen eine Beanspruchung, die proportional zur Belastung der Schraube 2 ist. Das Dehnmeßstreifensignal der Schwingung wird in einem Rechner in einen Rechteckimpuls gleicher Frequenz umgewandelt, wird verstärkt und steuert Elektromagnete 3 an. Die Schwingungsamplitude der Vorrichtung wird über die Amplitude des Rechteckimpulses mit Proportional- Differential-Verhalten von einem Rechnerprogramm geregelt. Phase und Impulsbreite können während des Betriebes von Hand optimiert werden. Störungen der Netzspannung genügen, um die Vorrichtung infolge der vom Rechner generierten Störimpulse in die gewünschte Eigenschwingung zu versetzen.
Die Vorrichtungen sind im Sinne einer hohen Dauerfestigkeit aus Einsatzstahl (21MnCr5) gefertigt und einsatzgehärtet. Der Werkstoff ist ferromagnetisch und wird von den Elektromagneten 3 unabhängig von ihre Polung angezogen. Die Orientierung der Kraftwirkung ergibt sich aus der Anordnung der Magnete 3. Sie werden phasengleich angesteuert.
Die Darstellungen in der Fig. 3 zeigen eine Prüfvorrichtung für die Zugschwellbelastung einer hochvorgespannten Schraube-Mutter-Verbindung 2.
Es sind im oberen Bild die aus dem geschlossenen Rahmen 1 und Trägheitskörpern 1a sowie Schraube-Mutter-Verbindung 2 gebildete Struktur der Prüfvorrichtung und die Anordnung der Elektromagnete 3 ersichtlich, im unteren Bild ist eine Detailansicht der Schraubenverbindung 2 mit geschnittener Darstellung des Rahmens 1 mit Trägheitskörpern 1a gezeigt.
Die Vorrichtung ist ein Anwendungsbeispiel der Struktur und Eigenform von Variante 2 in Fig. 2. Die Vorrichtung ist zum Beispiel für die Schraube-Mutter-Verbindung der Gewindegröße M12 und einer Klemmlänge von 48 mm ausgeführt und schwingt mit 120 Hz Eigenfrequenz.
Die Darstellungen in der Fig. 4 zeigen eine Prüfvorrichtung für die Biegewechsel- oder -schwellbelastung einer hochvorgespannten Schraube-Mutter-Verbindung 2.
Es sind im oberen Bild die von geschlossenem Rahmen 1 und starren Trägheitskörpern 1a sowie Schraube-Mutter- Verbindung 2 gebildete Struktur und die Anordnung der Elektromagnete 3 ersichtlich, im unteren Bild ist eine Detailansicht der Schraubenverbindung und Einstellschrauben 6 zum statischen Biegen der geschnitten dargestellten Struktur aus Rahmen 1 und Trägheitskörper 1a gezeigt.
Die Struktur der Vorrichtung ergänzt die Varianten 6 und 7 in Fig. 2 um eine symmetrische Anordnung von Trägheitskörpern 1a.
Die Vorrichtung ist z. B. für die Schraube-Mutter-Verbindung der Gewindegröße M12 und einer Klemmlänge von 48 mm ausgeführt und schwingt mit 120 Hz Eigenfrequenz. Für den Schwellbetrieb wird der Rahmen 1 durch Aufweiten oder Verkleinern und Fixieren der Spalte 8 in den Trägheitskörpern 1a nach dem Vorspannen der Schraube 2 einstellbar statisch gebogen. Die axiale Vorspannung und die Biegeschwingbeanspruchung der betroffenen Rahmenseite werden mit Dehnmessstreifen 7 getrennter Brückenschaltungen gemessen.
Die Darstellungen in der Fig. 5 zeigen eine Prüfvorrichtung für die kombinierte Zug- und Biegeschwellbelastung einer hochvorgespannten Schraube-Mutter-Verbindung 2.
Es sind im oberen Bild die von Rahmen 1 und Trägheitskörpern 1a sowie Schraube-Mutter-Verbindung 2 gebildete Struktur und die Anordnung der Elektromagnete 3 ersichtlich, im unteren Bild ist eine Detailansicht der Schraubenverbindung und der Rahmenseite 15 variabler Länge zum Einstellen des Verhältnisses von statischen Zug- zu Biegebelastung mit geschnittener Darstellung der Struktur von Rahmen 1 und Trägheitskörper 1a gezeigt.
Die Vorrichtung ist ein Anwendungsbeispiel der Struktur und Eigenform von Variante 12 in der Fig. 2. Die Vorrichtung ist zum Beispiel für die Schraube-Mutter-Verbindung der Gewindegröße M10 und einer Klemmlänge von 40 mm ausgeführt und schwingt mit 120 Hz Eigenfrequenz.
In den Anwendungsbeispielen nach den Fig. 6 bis 10 kennzeichnen die Pfeile die mögliche elektromagnetische Kraftanregung zu einem Zeitpunkt. Die Knotenpunkte 4 der Eigenschwingungen für eine vorgesehene Lagerung der schwingenden Strukturen sind ebenfalls gekennzeichnet.
Die Fig. 6 zeigt eine Prüfvorrichtung für die Biegewechselbelastung und statische Torsion einer Welle 9 mit Kerbform. Sie ist ein Anwendungsbeispiel der Struktur und Eigenform von Variante 5 in der Fig. 2.
Die Verbindungen der Rahmenseiten werden für den Schwingbetrieb festgeklemmt. Zuvor kann der Rahmen 1 in sich verdreht werden, um die Welle 9 an der Stelle ihrer Kerbform statisch zu tordieren. Die ganze Welle 9 wird dabei in der Ebene senkrecht zur Ebene der Eigenschwingung in einen S-Schlag gebogen und durch eine konstante Querkraft belastet. Der Verlauf des Biegemomentes in Richtung der Wellenachse hat seinen Nulldurchgang in der Mitte der Welle 9 an der Stelle der Kerbform. Die Schubbeanspruchung infolge der Querkraft ist für Verhältnisse der Welle 9 von Länge zu Außendurchmesser von mehr als zehn gering.
Die Fig. 7 zeigt eine Prüfvorrichtung für die Torsionswechsel- oder Schwellbelastung der Kerbe eines Kerbstabes 10.
Ihre Struktur verzichtet auf die Trägheitskörper 1a der Variante 16 in Fig. 2.
Der ganze Stab 10 wird in einen S-Schlag gebogen und durch eine veränderliche Querkraft belastet. Der Verlauf des Biegemomentes in Stabrichtung hat seinen Nulldurchgang in der Mitte des Stabes 10 an der Stelle der Kerbe. Die Schubbeanspruchung der Kerbe infolge der Querkraft ist für Verhältnisse des Stabes 10 von Länge zu Außendurchmesser von mehr als zehn gering.
Die Verbindungen der Rahmenseiten werden für den Schwingbetrieb festgeklemmt. Zuvor kann der Rahmen 1 in sich verdreht werden. Die statische und dynamische Beanspruchung der Kerbe sind dann gleichartig und ihre Verläufe entlang der Stabachse ähnlich.
Fig. 8 zeigt eine Prüfvorrichtung für kombinierte Torsions- und Biegewechsel- oder Schwellbelastung einer Welle-Nabe- Verbindung 11 mit Keilprofil.
Sie ist ein Anwendungsbeispiel der Struktur und Eigenform von Variante 16 in der Fig. 2.
Die ganze Welle 11 wird in einen S-Schlag gebogen und durch eine veränderliche Querkraft belastet. Das Biegemoment ist an den beiden Einspannungen der Welle 11 am größten. Das Torsionsmoment ist in Richtung der Wellenachse konstant. Die Schubbeanspruchung der Welle 11 infolge der veränderlichen Querkraft ist für Verhältnisse von Länge zu Durchmesser von mehr als zehn gering.
Die Verbindung der Rahmenseiten werden für den Schwingbetrieb festgeklemmt. Zuvor kann der Rahmen 1 in sich verdreht werden. Die statische und dynamische Beanspruchung der Welle-Nabe-Verbindung 11 sind dann gleichartig und ihre Verläufe in Richtung der Wellenachse ähnlich.
Die Fig. 9 zeigt eine Prüfvorrichtung für die Torsionswechselbelastung eines Kerbstabes 12.
Sie ist ein Anwendungsbeispiel der Struktur und Eigenform von Variante 9 in der Fig. 2.
Der Kerbstab 12 schließt den offenen Rahmen 1 in gelenkiger Verbindung. Die Gelenke 13 übertragen in Stabrichtung kein Biegemoment. Der Kerbstab 12 wird nur torsionsbelastet.
Die Fig. 10 zeigt eine Prüfvorrichtung für die Zug/Druckwechselbelastung einer Pleuelstange 14.
Sie ist ein Anwendungsbeispiel der Struktur und Eigenform von Variante 1 in der Fig. 2. Eine Vorspannung ist nicht vorgesehen.
Das Pleuel 14 schließt den offenen Rahmen 1 in gelenkiger Verbindung. Die Gelenke 13 übertragen in Richtung der Pleuelstange 14 kein Biegemoment. Das Pleuel 14 wird nur zug/druckbelastet. Bezugszeichenaufstellung 1 Rahmen
1a Trägheitskörper
1b Eigenform des Rahmens 1
2 Schraube-Mutter-Verbindung (Prüfling)
3 Elektromagnet
4 Grundplatte
5 Knotenpunkt
6 Einstellschraube
7 Dehnmeßstreifen
8 Spalt
9 Welle
10 Kerbstab
11 Welle-Nabe-Verbindung
12 Kerbstab
13 Gelenk
14 Pleuelstange
15 Rahmenseite

Claims

1. Verfahren zur Dauerschwingprüfung von Prüflingen wie von Werkstoffproben, Bauteilen oder Bauteilverbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Prüfling ein offener Rahmen (1) geschlossen wird oder zwei Abschnitte eines geschlossenen Rahmens (1) miteinander verbunden werden, wobei eine Eigenschwingung der vom offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildeten Struktur, die mindestens vier Knotenpunkte besitzt, die innerhalb der Struktur auf einer Ebene liegen, welche die Schwingungsebene der Struktur ist, oder die senkrecht zu den Schwingungsebenen der Struktur steht, den Prüfling (2) dynamisch belastet, und wobei die Struktur in Richtung einer Torsions- oder Biegebeanspruchung ihrer Eigenschwingung höchstens je zwei Gelenke besitzt, und wobei die Struktur so ausgelegt wird, dass sie gegenüber einer den Prüfling (2) ermüdenden Schwingbeanspruchung dauerfest ist und eine beabsichtigte Vorspannung erträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildete Struktur insich statisch verspannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschwingung der von dem offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildeten Struktur durch Trägheitskörper (1a) in fester Bindung mit dem Rahmen (1) beeinflusst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerung der von dem offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildeten Struktur in den Knotenpunkten der Eigenschwingung erfolgt, so dass sich die Eigenschwingung nicht auf das Fundament überträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschwingung elektromagnetisch angeregt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsignal der Eigenschwingung für die Anregung der Eigenschwingung in der Frequenz unverändert verarbeitet wird.

7. Prüfvorrichtung zum Erzeugen der statischen und harmonischen Zug/Druck-, Biege- oder Torsionsbelastung oder einer kombinierten Zug/Druck- und Biege- oder Torsions- und Biegebelastung eines Prüflings in Kombination gleicher oder unterschiedlicher Art von statischer und harmonischer Belastung, dadurch gekennzeichnet, dass
der Prüfling (2) einen offenen Rahmen (1) schließt oder zwei Abschnitte eines geschlossenen Rahmens (1) verbindet,
eine Eigenschwingung dieser von dem offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildeten Struktur, die mindestens vier Knotenpunkte besitzt, die innerhalb der Struktur auf einer Ebene liegen, welche die Schwingungsebene der Struktur ist oder die senkrecht zu den Schwingungsebenen der Struktur steht, den Prüfling dynamisch belastet, und
eine innere Verspannung des geschlossenen Rahmens (1) oder die gegenseitige Verspannung von offenem Rahmen (1) und Prüfling (2) die statische Belastung erzeugt.

8. Prüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Knotenpunkten der Eigenschwingung gelagert ist.

9. Prüfvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Richtung einer Torsions- oder Biegebeanspruchung ihrer Eigenschwingung höchstens je zwei Gelenke besitzt.

10. Prüfvorrichtung nach den Ansprüchen 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildete Struktur paarweise für Bereiche, die gemäß ihrer Verformung in der Eigenschwingung benachbarten Knotenpunkten zuzuordnen sind, um Trägheitskörper (1a) erweitert ist.

11. Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitskörper (1a) lösbar oder verstellbar befestigt sind.

12. Prüfvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Trägheitskörper (1a) in fester Bindung an den Rahmen (1) einen weiteren Knotenpunkt der Eigenschwingung besitzt, der außerhalb der von dem offenen oder geschlossenen Rahmen (1) und Prüfling (2) gebildeten Struktur innerhalb des Trägheitskörpers (1a) auf einer Ebene mit den übrigen Knotenpunkten liegt.

13. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschwingung elektromagnetisch angeregt ist.

14. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsignal der Eigenschwingung für die Aufrechterhaltung der Eigenschwingung ohne Veränderung der Frequenz verarbeitet ist.