DE10206710B4

DE10206710B4 - Vorrichtung zum Messen von Probeneigenschaften bei Dauerschwingversuchen

Info

Publication number: DE10206710B4
Application number: DE2002106710
Authority: DE
Inventors: Michael Grupp
Original assignee: DOLI ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: DOLI ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: DE10206710A1

Abstract

Vorrichtung (1) zum Messen von Probeneigenschaften bei Dauerschwingversuchen, insbesondere einer viskoelastischen Probe im Kraftfahrzeugbereich, mit:
einem Probenhalter (13), der zwei Teller (14, 15) aufweist, zwischen welchen die zu messende Probe einspannbar ist, und der in einer thermostatischen Kammer (27) angeordnet ist;
zwei Linearmotoren (4, 5) für einen gemeinsamen dynamischen Antrieb mindestens eines der Teller (14) zum Anlegen einer bestimmten dynamischen Last an die Probe, wobei die Anker (6, 7) der beiden Linearmotoren (4, 5) über Verbindungsplatten (28, 29) miteinander verbunden sind;
einer Einrichtung (16) zum Messen der Probentemperatur;
einer Einrichtung (33) zum Messen der Probenverformung; und mit
einer Einrichtung zum Auswerten der gemessenen Daten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Probeneigenschaften bei Dauerschwingversuchen, insbesondere einer viskoelastischen Probe im Kraftfahrzeugbereich.
Obwohl auf beliebige Proben anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf eine viskoelastische Probe, beispielsweise eine Gummiprobe für die Kraftfahrzeug-Reifenindustrie erläutert.
Für eine Charakterisierung der Eigenschaften bestimmter Proben, inwiefern diese für eine Verwendung in bestimmten Einsatzbereichen, beispielsweise als Kraftfahrzeug-Reifenmaterial, einsatzfähig sind, ist eine Messung bestimmter physikalischer Größen, wie beispielsweise das Kriechverhalten, der Wärmebildung, des Zermürbungswiderstandes etc, der Gummiprobe unter Belastung, d.h. unter annähernd Einsatzbedingungen erforderlich.

In der Druckschrift EP 0 766 084 A2 ist ein hydraulischer Servo-Flexometer zum Prüfen einer viskoelastischen Probe be schrieben. Der Antrieb der die Probe aufnehmenden Teller wird mittels einer hydraulischen Antriebseinrichtung bewerkstelligt. Ein hydraulischer Antrieb kann zwar auf einfache Weise an die Probenteller angeschlossen werden, allerdings ergibt sich eine aufwendige Installation von Hydraulikschläuchen undrohren. Zudem ist ein hoher Energieaufwand notwendig, da kein Wechsel zwischen kinetischer und hydraulischer Energie beim Schwingvorgang stattfindet. Daher kommt es aufgrund hoher Verlustleistung zu einer starken Erwärmung des gesamten Systems, wodurch ein aufwendiges Kühlsystem notwendig wird. Ferner besteht bei hydraulischen Antrieben durch auslaufendes Öl die Gefahr einer Umweltverschmutzung.

Die Druckschrift EP 0 793 088 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur thermischen und dynamischen mechanischen Analyse mit einem Rahmen, einem linearen magnetischen Rotor, einem Schlitten, einem Mittel zum Bestimmen der Größe der Antriebskraft, welche auf den Schlitten aufgebracht wird, einem optischen Codierer, wenigstens einem Luftlager, eine Antriebsstange, einem bewegbaren groben Probenklammeraufbau, einem fixierten Probenklammeraufbau, einem Mittel zum Empfangen von elektronischen Signalen von einem Photodetektorsystem und zum Konvertieren der Signale in digitale Winkel- und Größensignale und einem Mittel zum Berechnen aus digitalen Signalen Werkstoffeigenschaften einer der Proben, welche durch den fixierten und den bewegbaren Klammeraufbau festgeklemmt ist, basierend auf den interpolierten Positionen des Schlittens als eine Funktion der Größe der Antriebskraft, welche auf den Schlitten aufgebracht wird.

Die Druckschrift DE 23 61 349 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Ermittlung der Schwingfestigkeit harter Prüflinge, wobei der jeweilige Prüfling zwischen einer ersten und einer zweiten Masse eingespannt wird, die Relativschwingungen zulassend gelagert sind, und einen mit zumindest einem eine Elektromagnetanordnung und einen Magnetanker enthaltenden Schwingungserzeuger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, mindestens einen Linearmotor für den dynamischen Antrieb eines Probentellers zu verwenden und die Messvorrichtung entsprechend umzurüsten.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind zwei Linearmotoren vorgesehen, die gemeinsam für einen dynamischen Antrieb sorgen.

Vorzugsweise ist jeder Linearmotor als 3-phasiger Linearmotor, beispielsweise in Form eines eisenlosen Synchronmotors, ausgebildet, wobei jeder Linearmotor einen magnetisch bewegbaren Anker aufweist.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Anker der beiden Linearmotoren über Verbindungsplatten miteinander verbunden, wobei die beiden Linearmotoren synchron ansteuerbar sind.

Die miteinander verbundenen Anker weisen gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung eine Kopfplatte auf, an der Befestigungs- bzw. Durchgangsbereiche für eine Befestigung von zugeordneten Koppelstangen vorgesehen sind. Die Koppelstangen sind vorzugsweise mit dem oberen Teller für den dynamischen Antrieb des selben verbunden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Temperaturmesseinrichtung ein Thermoelement in Form eines Plättchens, das vorzugsweise in dem unteren Probenteller für eine Messung der Temperatur an der Oberfläche der Probe während des Dauerschwingversuches integriert ist.

Vorzugsweise weist die Temperaturmesseinrichtung eine Nadel auf, welche für eine Messung der Temperatur im Inneren der Probe vorzugsweise nach dem Dauerschwingversuch von unten bzw. durch den unteren Probenteller hindurch in die Probe einführbar ist.

Die Nadel ist dabei vorzugsweise mittels einer Antriebseinrichtung antreibbar, wobei die Antriebseinrichtung beispielsweise als Lineareinheit mit einer Spindel ausgebildet ist.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung eine Kraftmesseinrichtung auf, welche vorzugsweise unterhalb der thermostatischen Kammer angeordnet ist.

Vorzugsweise ist eine Schwingungsentkopplungseinrichtung vorgesehen. Diese kann beispielsweise aus einer auf Gummipuffern gelagerten Stahlplatte bestehen, an der mindestens ein Linearmotor gelagert ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann der Linearmotor durch eine Steuereinrichtung angetrieben werden, die einen digitalen Kontroller und einen elektrischen Verstärker aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
1 eine Innenansicht einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Teilansicht der Messvorrichtung in 1;
3 eine vergrößerte Darstellung der Antriebseinrichtung der Messvorrichtung in den 1 und 2;
4 eine Draufsicht der Antriebseinrichtung in 3 im Schnitt; und
5 eine Querschnittsansicht eines Teils der Messvorrichtung.
Im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile oder Komponenten.
Die 1 und 2 illustrieren eine Innenansicht einer Vorrichtung 1 zum Messen von Probeneigenschaften, wie beispielsweise der Wärmebildung, einer Probe, beispielsweise einer viskoelastischen Probe aus einem Gummimaterial, das für Autoreifen verwendet werden soll. Die in 1 dargestellte Messvorrichtung 1 ist im Betriebszustand mit einer äußeren nicht dargestellten Abdeckeinrichtung, vorzugsweise aus Blechplatten, versehen. 1 stellt der Übersichtlichkeit halber jedoch eine Ansicht der Messvorrichtung 1 ohne äußerer Abdeckeinrichtung und 2 eine perspektivische Ansicht der Messvorrichtung 1 ohne äußerer Abdeckeinrichtung und Trägergestell dar.
Die Messvorrichtung 1 besitzt, wie 1 zeigt, ein stationäres Träger- bzw. Grundgestell 2, welches als Träger einer Antriebseinrichtung 3 und eines Probenhalters 13 vorgesehen ist.
Die Antriebseinrichtung 3, wie in den 3 und 4 dargestellt ist, besteht vorzugsweise aus zwei Linearmotoren 4 und 5, wobei jeder Linearmotor 4, 5 jeweils vorzugsweise als 3-phasiger eisenloser Synchronmotor ausgebildet ist und einen Anker 6 bzw. 7 und zugeordnete Magneten 8 bzw. 9 aufweist. Die Linearmotoren 4, 5 werden später bei der Figurenbeschreibung der 3 und 4 näher erläutert.
Die Messvorrichtung 1 weist ferner den Probenhalter 13 auf, der vorzugsweise einen oberen Probenteller 14 und einen unteren Probenteller 15 besitzt, wie in den 1 und 2 dargestellt ist. Im Betriebszustand befindet sich der Probenhalter 13 in einer thermostatischen Kammer 27, die mittels eines Rahmens 27a an dem Grundgestell 2 montiert ist. Der untere Probenteller 15 weist eine Temperaturmesseinrichtung 16 auf, beispielsweise ein Thermoelement 16a in Form eines Plättchens, das in der Auflagefläche des unteren Probenteller 15 derart integriert ist, dass das Thermoelement 16a an einer Oberfläche der zu messenden Probe anliegt und somit die Oberflächentemperatur der Probe während des Dauerschwingversuches misst.
Die Temperaturmesseinrichtung 16 weist ferner eine Temperaturmessnadel 16b auf, welche, wie in 5 dargestellt ist, vorzugsweise nach dem Dauerschwingversuch mittels einer eigenen Antriebseinrichtung 16c in die Messprobe eingeführt wird. Somit kann die Innentemperatur der Messprobe gemessen werden. Als Antrieb für die Messnadel 16b kann eine Lineareinheit 16c mit einer Spindel verwendet werden. Alternativ kann die Nadel auch während des Dauerschwingversuches in die Probe für eine Temperaturmessung eingeführt werden.
Der obere Probenteller 14 ist, wie in 1 und 2 dargestellt ist, an einer Trägerplatte 17 befestigt, welche mit vorzugsweise zwei Koppelstangen 18, 19 verbunden ist. Die Koppelstangen 18, 19 wiederum sind mit einer später näher beschriebenen Kopfplatte 10, beispielsweise mittels Schraubverbindungen, verbunden.
Wie die 1 und 2 zeigen, weist die Messvorrichtung 1 eine Kraftmesseinrichtung 22 auf, welche vorzugsweise unterhalb der thermostatischen Kammer bzw. des Probenhalters 13 angeordnet ist. Die Kraftmesseinrichtung ist beispielsweise eine Kraftmessdose 22, welche die an die zu messende Probe angelegte Kraft misst und die gemessenen Daten an eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung ausgibt. Die Kraftmessdose 22 ist aufgrund der Anordnung unterhalb der thermostatischen Kammer thermisch von der selben und dem sich bei Betrieb erwärmenden Probenhalter isoliert. Die Kraftmessdose 22 arbeitet daher bei etwa konstanter Temperatur und somit unter optimalen Arbeitsbedingungen, da die im Prüfbetrieb entstandene Erwärmung nach oben aus der thermostatischen Kammer abgeleitet wird.
Vorzugsweise ist eine Schwingungsentkopplungseinrichtung 24 angeordnet, die beispielsweise aus einer Stahlplatte 25 und Gummipuffern 26 besteht. Die lineare Antriebseinrichtung 3 ist nach unten gerichtet auf der Stahlplatte 25 gelagert. Die Stahlplatte 25 ist wiederum auf umschaltbaren Gummipuffern 26 mit unterschiedlicher Härte gelagert. Dadurch kann die Resonanzfrequenz zwischen der Stahlplatte 25 und den Gummipuffern 26 umgeschaltet und ein Betrieb von etwa 1Hz bis 50Hz gewährleistet werden. Ferner wird somit das stationäre Grundgestell 2 von den schwingenden Komponenten entkoppelt, wobei auch die Temperaturkammer 27 mit dem Grundgestellt 2 verbunden und somit entkoppelt ist.
Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass die Stahlplatte 25 und die Gummipuffer 26 sowie das Grundgestell 2 der Übersichtlichkeit halber in 2 weggelassen wurden.
Die Antriebseinrichtung 3, wie in den 3 und 4 dargestellt ist, besteht wie oben bereits erwähnt vorzugsweise aus zwei Linearmotoren, beispielsweise in Form von 3-phasigen eisenlosen synchronen Linearmotoren 4, 5. Die Linearmotoren 4, 5 bestehen jeweils vorzugsweise aus einem Anker 6, 7 mit Kupferwicklungen und zugeordneten Magneten 8, 9. Dadurch sind die Anker 6, 7 leicht ausgebildet und bestehen bzgl. einer magnetischen unerwünschten Anziehung durch die Magnete 8, 9 aus einem günstigen Material.
Die Magneten 8, 9 sind in etwa U-förmig ausgebildet, wobei die jeweils zugeordneten Anker 6, 7 in den entsprechenden U-förmigen Ausnehmungen 80, 90 in Richtung der Achse der Messvorrichtung 1 ohne Berührung der entsprechenden Magneten 8, 9 vertikal verschiebbar sind.
Die beiden Anker 6, 7 werden über Verbindungsplatten 28, 29 miteinander verbunden, beispielsweise mittels Schraubverbindungen. Durch Anlegen einer gemeinsamen Stromversorgung an die beiden Linearmotoren 4, 5 erfolgt eine synchrone Auf- und Abwärtsbewegung der beiden Anker 6, 7 über die entsprechend montierten Verbindungsplatten 28, 29.
Wie in 3 dargestellt ist, ist an der Oberseite der Verbindungsplatten 28, 29 die bereits erwähnte Kopfplatte 10 angebracht, mit welcher die beiden von dem oberen Probenteller 14 durch die Vorrichtung 1 nach unten geführten Koppelstangen 18, 19 fest verschraubt oder verschweißt sind. Dadurch erfolgt eine Kopplung des oberen Probentellers 14 mit den beiden miteinander verbundenen Ankern 6, 7 der Antriebseinrichtung 3.
Da die Anker 6, 7 in den U-förmigen Ausnehmungen der zugeordneten Magneten 8, 9 berührungslos angeordnet sind, ist eine Führungseinrichtung zum Führen der Anker 6, 7 in Längsrichtung der Messvorrichtung 1 vorgesehen. Die Führungseinrichtung besteht vorzugsweise aus an den Verbindungsplatten 28, 29 angeformte Lagerböcke 30, 31 bzw. 31' und zugeordneten Führungsstangen 32, 32'. Die Lagerböcke 30, 31, 31' besitzen vorzugsweise ein nahezu reibungsloses Kugellager und nehmen die zugeordneten Führungsstangen 32, 32' auf, entlang denen die Anker 6, 7 somit vertikal geführt werden.
Die Linearmotoren 4, 5 sind vorzugsweise mit einer Regeleinrichtung verbunden, beispielsweise mit Stromrichtern zum Einstellen der Phase der Ströme.
Vorzugsweise können Kräfte zwischen 1kN und 1,7kN erzeugt werden, wobei wegen der auftretenden Wärmeverluste eine Kühlungseinrichtung vorgesehen sein kann.
Die Messvorrichtung weist ferner eine Verformungsmesseinrichtung 33, beispielsweise in Form eines inkrementalen Längenmesssystems 33 auf. Damit kann über den Verstellweg der Linearmotoren 4, 5 auf die Verformung der Probe geschlossen werden.
Die durch die Linearmotoren 4, 5 auf die zu messende Probe ausgeübte Last wird mittels der Kraftmesseinrichtung 22, die während des Prüfverfahrens in der Probe vorherrschende Temperatur wird mittels der Temperaturmesseinrichtung 16 bzw. 16a und 16b und die aufgrund der Last auftretende Verformung der Probe wird mittels der Verformungsmesseinrichtung 33 gemessen, wobei die entsprechenden Daten an eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung gesendet werden. In der Auswerteeinrichtung können somit die entsprechenden charakteristischen physikalischen Größen der zu messenden Probe, u.a. der Verlustwinkel tanδ, bestimmt werden.
Mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung, welche vorzugsweise einen digitalen Kontroller und einen elektrischen Verstärker aufweist, können die Linearmotoren 4, 5 mit einem gewünschten Hub, bestimmter Frequenz und Kraft angesteuert werden.
Mittels der Kopplung der Anker 6, 7 der Linearmotoren 4, 5 an den oberen Probenteller 14 über die Koppelstangen 18, 19 erfolgt eine dynamische Krafteinleitung in die zu messende Probe bei vorzugsweise sinusförmiger Ansteuerung der Linearmotoren.
Beispielsweise werden die Proben mit einer Frequenz von ca. 30 Hz und einer Mittelkraft von ca. 0,5kN bzw. mit einer Amplitude von ca. 3,2 mm beaufschlagt.
Vorzugsweise können die Durchmesser der beiden Probenteller 14, 15 für eine Aufnahme von Proben mit unterschiedlichen Durchmessern variiert werden, beispielsweise von ca. 18 mm auf ca. 30 mm.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Die Messvorrichtung kann für Druck, Zug, und Zug-Druck-Kombinationen mit Null-Durchgang abgestellt werden. Der Probenhalter 13 bzw. die Aufnahmeeinrichtungen mit entsprechenden Tellern können entsprechend abgeändert werden, wobei die übrigen Messeinrichtungen analog dem oben Ausgeführten eingesetzt werden können.
Ebenfalls ist es vorstellbar, dass an die selbe Antriebseinrichtung verschiedene Probehalter angekoppelt sind, wobei parallel mehrere zu messende Proben mit einer vorbestimmten Kraft beaufschlagt werden können. BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Vorrichtung (1) zum Messen von Probeneigenschaften bei Dauerschwingversuchen, insbesondere einer viskoelastischen Probe im Kraftfahrzeugbereich, mit: einem Probenhalter (13), der zwei Teller (14, 15) aufweist, zwischen welchen die zu messende Probe einspannbar ist, und der in einer thermostatischen Kammer (27) angeordnet ist; zwei Linearmotoren (4, 5) für einen gemeinsamen dynamischen Antrieb mindestens eines der Teller (14) zum Anlegen einer bestimmten dynamischen Last an die Probe, wobei die Anker (6, 7) der beiden Linearmotoren (4, 5) über Verbindungsplatten (28, 29) miteinander verbunden sind; einer Einrichtung (16) zum Messen der Probentemperatur; einer Einrichtung (33) zum Messen der Probenverformung; und mit einer Einrichtung zum Auswerten der gemessenen Daten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (4, 5) ein 3-phasiger Linearmotor, beispielsweise ein eisenloser Synchronmotor, ist, der einen durch Magnete (8, 9) bewegbaren Anker (6, 7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Anker (6, 7) eine Kopfplatte (10) aufweisen, an der Befestigungs- bzw. Durchgangsbereiche (11, 12) für eine Befestigung von Koppelstangen (18, 19) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstangen (18, 19) mit einem der Teller (14, 15), vorzugsweise dem oberen Teller (14), für einen dynamischen Antrieb des selben verbunden sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (16) ein Thermoelement (16a) in Form eines Plättchens aufweist, das vorzugsweise in dem unteren Probenteller (15) für eine Messung der Temperatur an der Oberfläche der Probe während des Dauerschwingversuchs integriert ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (16) eine Nadel (16b) aufweist, welche für eine Messung der Temperatur im Inneren der Probe vorzugsweise nach dem Dauerschwingversuch von unten bzw. durch den unteren Probenteller (15) hindurch in die Probe einführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel (16b) mittels einer Antriebseinrichtung (16c) antreibbar ist, die beispielsweise eine Lineareinheit mit einer Spindel aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kraftmesseinrichtung (22), die vorzugsweise unterhalb der thermostatischen Kammer angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungsentkopplungseinrichtung (24), beispielsweise eine auf Gummipuffern (26) gelagerte Stahlplatte (25), vorgesehen ist, an der die Linearmotoren (4, 5) gelagert sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearmotoren (4, 5) durch eine Steuereinrichtung steuerbar sind, die einen digitalen Kontroller und einen elektrischen Verstärker aufweist.