-
Stand der Technik
-
Bekannt ist, mit Hilfe von Exzentern
oder Kurbeltrieben Proben oder Bauteilen eine vorgegebene Verformung
und damit auch Beanspruchung aufzuzwingen.
-
Um die Beanspruchung zu verändern, muss der
Hub des Exzenters verändert
werden. Besonders, wenn diese Veränderung während des Prüfvorgangs
erfolgen soll, z. B., weil der Prüfling sich längt, ist
diese Hubveränderung
sehr aufwendig.
-
Bekannt sind auch Pulser, bei denen über ein Servoventil
Hydrauliköl
oder Luft einem Belastungszylinder zugeführt werden.
-
Nachteil dieser Technik ist ein hoher
Energieverlust, weil die Entspannungsenergie der Probe nicht, wie
beim Exzenter, zurückgewonnen
sondern in Wärme
umgewandelt wird. Hoher Stromverbrauch und Kühlprobleme sind die Folge.
Außerdem
ist die Regelung aufwendig, weil jeder Hub eingeregelt werden muss,
anders als beim Exzenter.
-
Ebenfalls bekannt sind sogenannte
Resonanzpulser, die ein Feder-Massesystem darstellen, bei dem der
Ausschlag und damit die Belastung der Probe entweder dadurch ver-ändert wird,
daß die Enegungsfrequenz
mehr oder weniger nahe der Eigenfrequenz er-folgt oder bei Resonanzfrequenz
mit verschieden starker Enegerkraft erzeugt wird. Nachteil dieser
Technik ist, daß die
Regelung noch schwieriger und damit aufwendiger ist als beim Hydropulser, u.
a. weil eine im Bauteil stattfindende Dämpfung, z. B. bei Gummibauteilen,
die notwendige Enegerkraft verändert.
In vielen Fällen
ist der erforderliche Verformungsweg der Probe durch die begrenzte
Verformbarkeit der Feder nicht erreichbar.
-
Beschreibung
-
Erfindungsgemäss wird an Stelle einer Hubveränderung,
mit den o. g. Nachteilen, zwischen dem Kurbel- bzw. Exzentertrieb
eine Feder geschaltet, deren Federrate veränderbar ist. Auch bei Hydropulsern
oder Resonanzpulser entsteht dadurch, daß vor oder nach dem Prüfling eine
regelbare Feder geschaltet wird, ein Vorteil, in diesen Fällen vor
allem ein Regelungsvorteil. Zur Realisierung können mehrere parallel geschaltete
mechanische Federn verwendet werden, von denen verschiedene zu-
oder abgekoppelt werden. Die Vorspannung auf die Probe kann dabei
durch Verschieben des Einspannungspunktes der Probe am Rahmen verändert werden. Vorteilhaft
ist die Verwendung von Fluidfedern bezüglich der Veränderbarkeit
der Federrate.
-
Die Federratenveränderung kann z. B. dadurch
erfolgen, dass Gas in einem Kompressionszylinder komprimiert wird,
wobei das eingeschlossene Gasvolumen dadurch verändert wird, dass mehr oder weniger
Gas durch eine Flüssigkeit
ersetzt wird, z. B. über
Regelventile. Die Veränderung
der Federrate entsteht dabei deshalb, weil bei konstantem Hub und damit
konstanter Volumenkompression die damit verbundene Druckänderung
nicht von der Volumenänderung,
sondern vom Verhältnis
Volumenänderung zu
Restvolument abhängt
und letzteres, wie oben erwähnt,
verändert
wird. Bei einem Gas-Flüssigkeitsgemisch
kann die Flüssigkeit
als näherungsweise
inkompressibel oder zumindest weniger kompressibel als Gas betrachtet
werden.
-
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von
zwei gegeneinander verspannten Pneumatikfedern, entsprechend 1, weil hierbei nur der
mittlere – bzw.
minimale Druck – der
Feder verändert
werden muss und damit sowohl die Vorspannkraft (die beiden Federn
stehen dabei unter unterschiedlichem Druck) als auch die Ausschlagskraft
verändert
werden kann und somit alle Belastungsfälle von Zugschwell über Wechsel
bis Druckschwell realisiert werden können.
-
In 1 drückt der
Exenter 1 über
eine starre Klammer 2 auf die mit Luft gefüllten Doppelmembranen 3 und 4,
wobei beispielhaft auf der rechten Seite eine der Doppelmembranen 4 gleiche
Doppelmembran 5 nachgeschaltet ist. Über die Doppelmembranen 6 und 7 wird
der starre Rahmen 8 vorgespannt. Durch die Exenterbewegung
wird über
die Membranen der Rahmen 8 hin- und herbewegt und die Probe 9 belastet.
Die Vorspannung der Membranen (und damit des Rahmens 8)
ist abhängig
vom Druck in den Membranen. Ob bei der Bewegung der Klammer 2 nach
rechts oder links, d. h. in Zug- oder Druckrichtung, eine höhere Kraft
entsteht, ist davon abhängig,
welche Drücke
in den einzelnen Membranen herrschen, wieviele Membranen links und
rechts angeordnet sind und welche Lage der Befestigungspunkt 10 der
Probe hat.
-
Eine Veränderung der Federrate entsteht
dabei allgemein deshalb, weil bei einem unter höherem Druck stehenden Gas die
Druckänderung
durch eine bestimmte Volumenänderung
(entsprechend der Exenterbewegung) grösser ist als bei einem unter niedrigerem
Druck stehenden Gas, weil der Druck, über dem Volumen aufgetragen,
nicht durch eine Gerade, sondern näherungsweise eine Hyperbel
beschrieben werden muss.
-
Auch bei einer Veränderung
der Federrate, indem, wie oben beschrieben, in einem Zweistoffgemisch
der Gas- bzw. Flüssigkeitsanteil
verändert wird,
ist es vorteilhaft, zwei Federn analog 1 gegeneinander zu verspannen.
-
Um Leckageverluste in den Federn
und damit verbundene Energieverluste und somit auch Dämpfungseffekte,
die sich negativ auf der Regelverhalten auswirken, zu vermeiden,
empfiehlt es sich, das Gas in fest verschlossenen Behältnissen,
z. B. zwei gegeneinander verspannte Membranen, z. B. Pos. 3, 4, 5, 6, 7 in 1, zu komprimieren, wobei
es vorteilhaft ist, mehrere solche Behältnisse hintereinander zu schalten,
z. B. Pos. 4, 5, 7 in 1, damit trotz geringer Verformbarkeit
der Membranen ein ausreichender Hub ermöglicht wird.
-
Die Regelung kann dabei dadurch besonders
einfach gestaltet werden, indem die Membranen als Luftpumpen ausgebildet
sind, die geringe Mengen an Luft (oder Gas), z. B. über die
Rückschlagventile 11 und 12 in 1 ansaugen, so daß der Druck
in ihnen beständig
steigt, aber dadurch auf das erwünschte
Mass wieder abgesenkt wird, daß der Spitzendruck über ein
geregeltes Ventil – z.
B. 13 u. 14 – eingestellt
wird. Es kann stattdessen – um
Energieverluste zu vermeiden – auch
die Saugleitung gedrosselt werden. Besonders vorteilhaft ist es,
Saug- und Druckseite zu regeln. Um sicherzustellen, daß trotz
des sogenannten relativ grossen schädlichen Raums, der in einer
solchen Membrankompression vorliegt, ein ausreichend hoher mittlerer
Druck in den Federn erreicht wird, kann bei mehreren Membranen die
saugseitige im Durchmesser entsprechend kleiner ausgebildet werden,
z. B. Pos. 6 u. 7 in 1, weil dann beim Druckhub stets zuerst
die kleinere Membrane komprimiert wird, denn die Kraft, die der Kompression
entgegenwirkt, ist bei den grösseren entsprechend
der grösseren
Fläche
grösser.
-
So wird der Anfangsdruck in den grösseren Membranen
laufend vergrössert
und damit auch der mittlere Druck und der Spitzendruck und damit
die Federsteifigkeit. Dieses kann natürlich auch bei Verwendung von
Zylindern mit Kolben statt Membranen Anwendung finden.
-
Die Aufladung der Gasfedern kann
natürlich auch über Druckluft
erfolgen (über
ein geregeltes Rückschlagventil),
statt Ventil 11 und 12 in 1.
-
Wird nur Zugschwellbeanspruchung
gewünscht,
empfiehlt es sich, bei den gegeneinander verspannten Federn unterschiedlich
viele Federn (in Zug- und Druckrichtung der Probe) zu verwenden,
so dass lediglich die Vorspannung in Zugrichtung verändert werden
kann.
-
Der Antrieb, sei es ein Exzenter
oder Hydraulikzylinder oder Magnet, kann mehrere Federpakete und
damit Rahmen 8 in 1 parallel
bewegen, weil die aufzuwendende Energie wegen der Energierückgewinnung
beim Entlastungshub sehr klein ist.
-
Besonders in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn
der Antrieb nicht abgeschaltet werden muss, wenn ein Prüfling bricht
oder ausreichend lange gepulst worden ist. Das kann durch Abkuppeln
der einzelnen Antriebe erfolgen oder vorteilhafter, indem den einzelnen
Prüflingen
Federn oder Stangen, z. B. Pos. 15 in 1 parallel geschaltet werden, wobei diese
vorzugsweise eine Raststelle (Pos. 16 in 1) aufweisen, über die hinaus sie nur mit
einer bestimmten Kraft bewegt werden können. Bricht ein Prüfling, wird
die Federrate der oben beschriebenen Gasfeder herabgeregelt, und
dadurch kann dann die Raststelle nicht mehr überwunden werden. Der Exzenter
bewegt sich dann zwar noch aber der Anlenkpunkt für den Prüfung, das
heisst, z. B. der Rahmen in 1 nicht
mehr.
-
Diese Raststelle kann auf verschiedene
Weise realisiert werden.
-
Eine Möglichkeit ist, wie in 1 dargestellt, eine Stange 15 mit
Kerbe 16, in die eine Kugel 17 sich eindrückt (über eine
Feder 18).
-
Besser, weil verschleissärmer, ist
eine Vorrichtung nach 2.
Hierbei ist ein Zylinder 1 ortsfest befestigt und eine
Stange 2 mit dem Kolben 3 mit dem Rahmen z. B.
Pos. 8 in 1,
der den Prüfling belastet.
-
Der Kolben 3 in 2 wird über die Scheibe 5 in 2 mittels der vorgespannten
Feder 7 in 2 nach
links gedrückt
und über
die Scheibe 6 in 2 mittels
der vorgespannten Feder 8 in 2 nach
rechts.
-
Ist die Federrate der oben beschriebenen Federn
zwischen dem Prüfling
und dem Antrieb z. B. wegen eines Bruchs des Prüflings weit genug abgesenkt,
z. B. durch Ablassen des Druck in den Gasfedern, so verharrt die
Stange 2 in 2 mit
dem Kolben 3 in der gezeichneten Mittellage, weil die Vorspannung
in den Federn 7 bzw. 8 grösser ist als die Bewegungskraft
der regelbaren Federn, indem die Scheibe 5 und 6 sich
an der Ausbuchtung 4 des Zylinders 1 abstützt. Der
Prüfling
wird dadurch automatisch nicht mehr bewegt und kann ausgebaut werden, ohne
dass die übrigen
Prüflinge
in ihrem Test unterbrochen werden.
-
Alternativ dazu kann natürlich auch
zum Beispiel durch Einschalten eines Magnets, im Bruchfalle der
Kolben 3 in 2 an
der Ausbuchtung 4 festgehalten werden, wobei die Federn 7 und 8 sowie
die Scheiben 5 und 6 entfallen.
-
An Stelle der mechanischen Federn 7 und 8 in 2 kann auch Druckgas in
die Räume,
in denen sich die Federn befinden, eingebracht werden, wobei die
Scheiben 5 und 6 mit Dichtungen versehen sind. Der
Druck in diesen Räumen
muss im Bruchfalle in ausreichendem Mass über ein Ventil aufgebracht werden.
Das erfordert zwar ein zusätzliches
Ventil, aber es tritt beim Überqueren
des Kolben 3 über
die Ausbuchtung 4 ein geringerer Kraftstoss auf.
-
Die Lage der Raststelle wird vorzugsweise so
gelegt, dass für
den Fall eines Bruchs des Bauteils oder Erreichen der max. Belastungszyklen
und der damit verbundenen Federkraftreduzierung und in Ruheverharren
des vorher bewegten Prüflingsendes
die Kraft auf den Prüfling
null ist. Soll das bewegte Ende des Prüflings im Falle eines Bruchs
nicht in einer Zwischenstellung, sondern vom Prüfling entfernt verharren, kann
auch ein Anschlag am bewegten Ende des Prüflings vorgesehen werden und
gleichzeitig die Federkraft der Feder bzw. die resultierende Kraft
mehrerer Federn auf max. Zug geregelt werden. Erfolgt bei dieser
Konstruktion ein Abschalten wegen Erreichens der max. gewünschten
Lastwechsel, so kann die resultierende Federkraft auf geringen Zug
herabgeregelt werden und beim Ausbau der Probe der Anschlag des
bewegten Probenendes soweit verschoben werden, daß ein kraftfreier
Ausbau möglich
ist.
-
Sind die auf den Prüfling wirkenden
Kräfte sehr
gross, z. B. 10.000 kN oder mehr, ist es vorteilhaft, nicht die
Kompression von Gas, sondern einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser
(weil hierbei Drücke
bis >5000 bar möglich sind)
anzuwenden.
-
Dabei kann vorteilhafterweise die
Federrate dadurch verändert
werden, dass das eingeschlossene Fluidvolumen variiert wird, indem
z. B. entsprechend 3 die
Zylinder 1 mittels der Spindel 3 relativ zu der
Klammer 2 verstellt werden. Der Raum zwischen dem mit der
Probe 9 verbundenen Kolben 5 und dem über die
Spindel 3 mit der Klammer 2 verbundenen Zylinder 1 wird
dadurch verändert
und damit die Federrate der Fluidfedern. Die Bewegung der Klammer 2 erfolgt
mittels des Exzenters 4.
-
Um die erforderliche Fluidmenge bei
einer derartigen Verstellung in den Raum zwischen dem Kolben 5 und
den Zylindern 1 ein- bzw. ausbringen zu können, kann
z. B. Fluid über
ein Rückschlagventil 6 eingebracht
und über
eine Drossel 7 geregelt ausgebracht werden, wobei über das
Ventil 6 bei jedem Hub Fluid einströmt, aber verschieden viel,
je nachdem, ob die Spindel 2 betätigt wird oder nicht bzw. wieviel
Leckage von den Federräumen 11 in
die Auffangräume 10 strömt. Analog
zu der Regelung in 1 können hier
die Ventile 6 und 7 geregelt werden, wobei zur
Vermeidung von Kavitation auf die Ventile 6 ein Vordruck,
z. B. mittels einer Ladepumpe, gegeben wird.
-
Alternativ zur Variation des Drucks
oder des Volumens durch Zu- und Abfuhr von Fluid kann der Gasdruck
bzw. das Fluidvolumen durch Erwärmen bzw.
Abkühlen
der Gas- oder Flüssigkeitsfeder
verändert
werden. Bei einer Gasfeder kann dies durch Druckänderung (mittlerer) über Temperaturänderung des
gesamten (z. B. Pos. 3; 4; 5; 6; 7 in 1) Federkörpers erfolgen,
oder dadurch, dass das eingeschlossene Volumen und damit der sogenannte schädliche Raum
verändert
wird, indem z. B. zwei scheibenförmige
Membranen in einen Ring eingeschrumpft werden und dieser Ring relativ
zu den Membranen eine Temperaturänderung
erfährt,
so dass die Membranen mehr oder weniger ausbeulen und der Zwischenraum
zwischen den zwei Membranen dadurch verändert wird.
-
Bei einer Flüssigkeitsfeder kann mit Temperaturdifferenzen
verschiedener Teile oder Bimetalleffekt gearbeitet werden, indem
z. B. in den Zylindern, in denen sich die Flüssigkeit befindet, ein ruhender Kolben
eingebracht wird, der den Raum weitgehend ausfüllt und sein Volumen relativ
zum Zylinder verändert,
indem er eine andere Temperatur als der Zylinder aufgeprägt bekommt
oder indem er einen anderen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und
beide eine Temperaturänderung
erfahren bzw. eine Kombination beider Effekte angewendet wird.
-
Die Kraftübertragung zwischen einem Exzenter
und der regelbaren Feder kann vorteilhafterweise verschleiss- und
reibungsfrei auf folgende Art und Weise erfolgen:
-
Wie aus 4 ersichtlich, sind zwischen einem vom
Exzenter 1 bewegten Zwischenstück 4 und dem Rahmen 2,
der auf die Feder 5 (bzw. Federn 4; 5; 7; 3; 6 in 1) wirkt, Blattfedern 3 angebracht. Werden
diese in der in 4 ersichtlichen
Weise angebracht, ist keine reibungsbehaftete anderweitige Verbindung
zwischen dem Zwischenstück 4 und
dem Rahmen 2 erforderlich. Die Feder 5 (bzw. Federn) wirkt,
bzw. wirken wie in 1 auf
den Prüfling.
Pos. 5 in 4 entspricht
Pos. 2 in 1.
Der Rahmen wird dabei vorteilhafterweise durch die Blattfedern 7 fixiert.
-
Die Anordnung der Regelfeder zwischen
Antrieb und Prüfling
ist nicht zwingend. Es kann stattdessen die Regelfeder auch zwischen
dem Prüfling und
dem festen Rahmen erfolgen oder beides. Dabei ist kein Hinderungsgrund,
wenn die Fixierung des Prüflings
am nicht bewegten Ende verschiebbar ist, um Vorlasten einzustellen
oder die Ruhelage des Prüflings
zu verändern.
-
Wird, wie oben beschrieben, eine
Flüssigkeit als
Feder verwendet, wird vorteilhafterweise Wasser statt Hydrauliköl eingesetzt.
Bei einer üblichen
hydraulischen Regelung eines Hydropulsers kann kein Wasser verwendet
werden, weil bei jedem Hub die Flüssigkeit über eine Drosselstelle entspannt
wird. Dies hat nicht nur, wie eingangs erläutert, Energieverluste zur
Folge – es
würde beim
Einsatz von Wasser sehr schnell zur Zerstörung des Servoventils durch
Kavitation führen.
-
Bei der Flüssigkeitsfeder muss zum einen nur
bei einer gewünschten
Veränderung
der Belastung ein Durchströmen
der Ventile 7 in 3 erfolgen,
zum zweiten kann dies, wie bei Hochdruckreinigungseinrichtungen üblich, über verschleissfeste Drosseln,
z. B. einem gelochten Saphir o. ä.
erfolgen. Die Regelung in 3 erfolgt
sowohl durch Verstellen der Zylinder 1 mittels der Spindeln 3 (alternativ Hydraulikzylinder)
als auch Veränderung
des Spitzendrucks über
die Drosseln 6 und 7.
-
Gibt der Prüfling im Laufe der Belastungszyklen
nach, muss die Federsteifigkeit der linken oder rechten Feder (je
nachdem, ob Druck- oder Zugbelastung) rasch erhöht und ausserdem die Mittellage verändert werden.
Dies geschieht zunächst,
indem auf der einen Seite der Vordruck auf das Ventil 6 erhöht und auf
der anderen Seite das Ventil 7 auf niedrigeren Maximaldruck
eingestellt wird.
-
Gleichzeitig werden die Stellspindeln 3 entsprechend
bewegt (vorzugsweise über
Stellmotoren).
-
Besonders schnell kann die Federrate
verändert
werden, wenn über
das Ventil 6 in 3 Luft
eingebracht wird, falls die Federrate gesenkt werden muss, andererseits über Ventil 7 entlüftet wird,
falls die Federrate noch erhöht
werden muss.
-
Die Verstellung der Ventile kann
sehr schnell erfolgen, die der Spindeln – wenn übehaupt notwendig – langsamer.
-
Deshalb kann, sobald die Spindeln
ausreichend verstellt sind, die Fluidab- und -zufuhr über die Ventile 6 und 7 wieder
eingestellt werden, so daß deren
Verschleiss gering bleibt.
-
Der besondere Vorteil von Wasser
liegt in dem Umstand, daß,
wie oben erwähnt,
Drücke
bis zu 5000 bar verwendet werden können. Dies erlaubt kleine Kolbendurchmesser
und damit kleine bewegte Massen. Erfolgt der Antrieb nicht über einen
Exzenter oder dergleichen, sondern über einen Magneten oder eine
Schwungmasse, kann der Platz der Probe 9 in 3 mit dem Platz des Antriebs
(in 3, Pos. 4) vertauscht
werden, so daß eine
relativ grosse Masse (Zylinder 1 etc.) gegen die "Wasserfeder" schwingt und genügend geringe
Resonanzfrequenzen erreichbar sind.