-
Einrichtung zur dynamischen Prüfung von Materialien mittels Schwingungen.
Wenn eine dynamische Mat@erialprüfmaschine möglichst getreu die tatsächlich im Betriebe
auftretenden Belastungsbedingungen des Materials nachahmen soll, so muß sie, folgende
Grundbedingungein erfüllen: i. Die Größe der Belastung muß sich periodisch ändern,
also beispipisweise nach einer Kreisfunktion (P - cos) wachsen und wieder abnehmen.
-
2. Die Belastung muß ihrer Größe nach beliebig verändert werden können.
-
3. Die periodische Belastung (P # cos) muß mit einer bestimmten Taktzahl
auftreten, die zweckmäßig in bestimmter Weise jedem Prüfkörper angepaßt wird.
-
¢. Die Taktzahl der periodischen Kraft muß nach Belieben verändert
werden können. Diese vier Forderungen können gemäß der Erfindung dadurch erfüllt
und eine Untersuchung des Materials entsprechend der Betriebsbeanspruchung dadurch
erreicht werden, daß sich die den Prüfkörper belastenden Kraftwirkungen in Resonanz
mit denn als Feder bzw. als federndes Pendel wirkenden Prüfkörper ändern. Hierbei
ist .es gleichgültig, auf welchem Wege die Resonanzbelastung des Prüfkörpers erzielt
wird.
-
Am einfachsten wird die neue dynamische Prüfmaschine dann, wenn die
Belastung des Prüfkörpers durch eine umlaufende Wuchtmasse erfolgt, deren Fliehkräfte
in beliebiger Art als Belastung auf den Prüfkörper übertragen werden. Hierbei empfiehlt
es sich, nur die in einer Ebene wirkende Fliehkraftkomponente der sich drehenden
Wuchtmasse als Prüflast auf das zu untersuchende Material zu übertragen.
-
Eine der zahlreichen möglichen Ausführungsformen der Erfindung ist
als Beispiel schematisch auf der Zeichnung veranschaulicht, und zwar zeigt Abb.
i die Vorrichtung, von der Seite gesehen, im Schnitt, während Abb. 2 einen Einzelteil
der Vorrichtung im Grundriß darstellt.
-
Abb. 3 und q. lassen die Veränderung der Vorrichtung bei Untersuchungen
besonderer Art erkennen.
-
Bei der Vorrichtung nach Abb. i ruht eine Welle io ' drehbar in den
beiden Lagern i i und 12. Die Lager sind beispielsweise durch kugelförmige Ausgestaltung
ihrer Lagerschalen 13 so eingerichtet, daß die Welle i o sich g egenüber ihren Lagerböcken
i i und 12 verstellen kann. Der Antrieb der Welle kann auf beliebige Art, beispiels*eise
durch einen Elektromotor, erfolgen; als Kupplung kann eine biegsame Welle 1 ¢ verwendet
werden.
-
Auf der Welle io sitzt eine sorgfältig ausgewuchtete Schwungmasse,
beispielsweise eine Scheibe 15, die eine Wuchtmasse 16, beispielsweise in Form eines
Zusatzgewichtes, tragen kann. Diese Wuchtmasse 16 kann beliebig auswechselbar eingerichtet
werden oder sie wird 'derart auf der Scheibe 15 gelagert, daß sie, am zweckmäßigsten
während des Ganges, gegebenenfalls selbsttätig, radial oder in beliebiger anderer
Weise verschoben werden
kann, derart, daß sich die Größe ihrer Fliehkraft
ändert.
-
Die Welle i o ist in dem Ausführungsbeispiel pendelnd gelagert. Zu
diesem Zwecke ist der Lagerbz)ck I I ortsfest auf einem Sockel 17 angebracht,
während das Lager 12 von einer Feder, beispielsweise einer Blattfeder i g, getragen
wird, deren Fuß bei i9 fest eingespannt ist. Auf diese Weise vermag die Welle i
o um die Achse x-x des Lagers i i als Pendelachse ebene Pendelschwingungen auszuführen,
die in einer senkrecht zur Zeichnungsebene liegenden Ebene verlaufen.
-
Der Prüfkörper, beispielsweise ein auf Biegung zu untersuchender Prüfstab
2o, ist an seinem oberen Ende 21, also einseitig, fest eingespannt, während sein
unteres Ende durch einen Spannkopf 22 gehalten wird, der mit dem Schwinglager 12
der Welle io verbunden ist. Ebenso wie jetzt im Material,-prüfungswesen empfiehlt
es sich, bei der. neuen Prüfungsart sog. Einheitsstäbe zu verwenden. Während jedoch
bei den jetzt üblichen Einheitsstäben nur die Abmessungen festliegen, muß bei den
neuen Prüfstäben in erster Linie deren Eigenschwingungszahl berücksichtigt werden,
und zwar in verschiedener Weise je nach der Art der Belastung, z. B. bei Biegungsschwingungen
oder bei Torsionsbelastungen.
-
Nach Ingangsetzen der Vorrichtung wird bei den kleinen, durch die
Wuchtmasse 16 hervorgerufenen periodischen Impulsen das Schwinglager 12 der pendelnd
gelagerten Welle io so lange durch den Prüfstab 2o an einer Schwingung verhindert,
als die Taktzahl der Wuchtmasse 16 noch unterhalb der Eigenschwingungszahl des Prüfstabes
2o liegt. Erst wenn bei derselben periodischen Belastung die Taktzahl des die Wuchtmasse
16 enthaltenden Pendelsystems in Übereinstimmung mit der Eigenschwingungszahl des
Prüfstabes 2o kommt, wird das Schwinglager 12 in Tätigkeit treten, also senkrecht
zur Zeichnungs@ ebene periodische Schwingungen ausführen.
-
Diese Änderung der Taktzahl des die Welle io und die Scheibe 15 enthaltenden
Pendelsystems kann beispielsweise entweder durch Längsverschiebung der Scheibe 15
gegenüber der Welle i o oder auch durch Veränderung der Einspannlänge der Feder
18 oder schließlich auch durch Änderung des Abstandes der beiden Lager i i und 12
voneinander bewirkt werden. Eine einfache Vorrichtung zur Längsverschiebung der
Scheibe 15 während des Betriebes ist in Abb. 2 im Grundriß veranschaulicht. Die
Welle io trägt einen langen Federkeil 23, über welchem die Scheibe 15 achsial beweglich
ist. Ein Ring 2¢, welcher in eine entsprechende Nut der Scheibe 15 greift, trägt
Bolzen 25 (Abb. i), die in einen Schlitz einer bei 26 drehbar gelagerten Gabel 27
greifen. Diese Gabel kann mittels eines Steines 28 bewegt werden, der längs einer
Schraubenspinde129 mittels eines Handrades 3o verschoben werden kann.
-
Hat man durch geeignete Einstellung das pendelnde Wellensystem in
Resonanz mit der Eigenschwingungszahl des Prüfstabes gebracht und wird nun die Größe
der durch die Wuchtmasse 16 erzeugten Fliehkraft in der eingangs beschriebenen Weise
geändert, so kann der Prüfstab unter eine periodische Belastung von jeder beliebigen
Größe gesetzt werden, die auch bis zum Bruch des Stabes allmählich gesteigert werden
kann.
-
Die beschriebene Vorrichtung erfüllt vollkommen alle vier eingangs
angegebenen Bedingungen für eine dynamische Materialprüfmaschine. Außerdem bietet
die Vorrichtung noch den Vorteil, daß man die erforderliche periodische Belastung
und die verlangte Taktzahl erst nach und nach einstellen kann, denn man hat es in
der Hand, die Wuchtmasse 16 nacheinander in Dissonanz, Resonanz und wieder in Dissonanz
laufen zu lassen.
-
Auf diesem Wege ist es auch möglich, nicht nur die Bruchbeanspruchung
des Prüfstabes, sondern auch diejenige Beanspruchung zu ermitteln, bei der die Proportionalitätsgrenze
erreicht ist. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise auf folgende Art vorgehen:
Es wird die Taktzahl der dynamischen Prüfmaschine auf die Eigenschwingungszahl des
Stabes abfestimmt und dann schrittweise durch Veränderung der Fliehkraft die Größe
der periodischen, auf den Prüfstab wirkenden Kraft erhöht. Diese Pendelkraft läßt
man für eine gewisse Zeit auf den Stab einwirken, stellt alsdann das pendelnde Wellensystem
ab oder bringt es in Dissonanz mit derri Prüfstab und vergewissert sich, ob der
Stab nun wieder in die Nullage zurückfedert. Dieses Verfahren wiederholt man für
eine periodische Kraft von etwas größerer Amplitude usf., bis man an eine Belastung
gelangt, bei welcher der Prüfstab nicht wieder seine Nullage einnimmt. In diesem
Falle ist die Proportionalitätsgrenze erreicht. Ebenso kann durch mikroskopische
Untersuchung des Stabes aus irgendwelchen Merkmalen auch auf die Fließgrenze geschlossen
werden.
-
In entsprechender Weise läßt sich auch ein Prüfstab untersuchen, der
beiderseitig eingespannt ist (Abb.3). Es braucht dann nur der Spannkopf 22 nach
Abb. i durch einen gabelförmigen Kopf 31 ersetzt zu werden, dessen Schlitz den Prüfstab
2o in der Mitte umfaßt.
-
Abb. 4 zeigt, wie ein einseitig eingespannter Meßstab auf dynamische
Torsions- und Biegungsbeanspruchung
untersucht werden kann. In
diesem Falle ist das untere Ende 32 des Prüfstabes 2o beispielsweise starr mit einem
Hebel 33 verbunden, dessen geschlitztes Ende über einen am Lager 12 befestigten
Stift 3q. greift.
-
Soll ein Stab ,auf periodische Druckbeanspruchung untersucht werden,
so braucht der Prüfstab nur in -die Pendelebene gelegt zu werden, so daß das schwingende
Pendel mit seiner Taktzahl auf den Stab Druckkräfte in seiner Längsachse ausübt.
Man hat in diesem Falle eine Art Pendelschlagwerk, nur mit dem Unterschied, daß
die Größe des Schlages und dessen Taktzahl nach Belieben und sehr genau veränderlich
und einstellbar ist.
-
Es können auch beispielsweise mehrere beliebig zueinander liegende
und in beliebig verschiedener Weise angetriebene Wuchtmassen auf ein und denselben
Prüfstab einwirken, um Vorgänge untersuchen zu können, denen der Prüfstab im späteren
Betriebe ausgesetzt ist.
-
An Stelle einer Beanspruchung durch Fliehkräfte können auch andere,
z. B. hydraulische, Kräfte dazu dienen, den Prüfstab in Resonanz mit seiner Eigenschwingungszahl
zu belasten.