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Verfahren zur Dauerprüfung von Materialien Zur Feststellung der Eigenschaften
von Prüfkörpern in bezug auf Dauerbeanspruchung sind Ermüdungsmaschinen bekannt
geworden, bei denen das Probestück schnell sich wiederholenden Belastungen ausgesetzt
wird. Um hierbei mit verhältnismäßig kleinen Kräften möglichst große Auslenkungen
zu erzielen, wurde vorgeschlagen, die Erregung des das Probestück enthaltenden Schwingungsgebildes
im gleichen Takt mit dessen Eigenschwingungsfrequenz vorzunehmen. Es zeigte sich
jedoch, daß die hierbei nötige Übereinstimmung des Schwingungsgebildes im Verlaufe
eines Versuches sehr schwer aufrechtzuerhalten ist, da beide Frequenzen Schwankungen
unterworfen sind. Um die Frequenzschwankungen wenigstens des mechanischen Schwingungsgebildes
zu unterdrücken, wurde ferner vorgeschlagen, außer der Elastizität des Probestückes
eine zweite festgegebene Elastizität vorzusehen, die überwiegend die Abstimmung
des Schwingungsgebildes bestimmt. Auf diese Weise wurde erreicht, daß die während
eines Versuches auftretenden Änderungen der elastischen Eigenschaften des Probestückes
keinen wesentlichen Einfluß auf die mechanische Abstimmung des Schwingungsgebildes
ausüben konnten. Diese Maßnahme bedingt jedoch einen schwerwiegenden Nachteil, der
darin liegt, daß große Massen in Bewegung gesetzt werden müssen, so daß eine peinlich
genaue, dauernde Einregelung der erregenden Frequenz nötig ist, da sonst das mit
großen Massen ausgestattete System sofort aus dem Takt fällt.
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Vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und Einrichtungen
zur Ausübung desselben, das die gekennzeichneten Mängel vermeidet. Das Wesen der
Erfindung besteht darin, daß mindestens zwei mechanische Schwingungssysteme vorgesehen
sind, die aufeinander einwirken, und daß die Frequenz der Erregung zwischen den
Abstimmungen zweier Schwingungsgebilde erfolgt. Es wird also von vornherein auf
das Arbeiten in Resonanz verzichtet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß kleine
Frequenzschwankungen sowohl der Erreging ,als auch der Schwingungssysteme keine
störenden Einflüse auf den Arbeitszustand der Maschine ausüben. Für das Wesen der
Erfindung ist es ohne Belang, ob die vorgesehenen Schwingungsgebilde auf Zug und
Druck, Biegung oder Torsion beansprucht werden, ferner können auch Schwingungsgebilde
verschiedener Beanspruchung miteinander kombiniert werden, derart, daß beispielsweise
ein Schwingungssystem auf Torsion, ein anderes auf Biegung beansprucht wird.
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Um einen möglichst ruhigen Lauf derartiger Maschinen zu erzielen,
werden sie bekanntlich vorteilhaft mit besonderen Dämpfungseinrichtungen versehen.
Diese Dämpfungseinrichtungen
zwingen die sehr wenig belastete Maschine
zu besonderen Arbeitsleistungen, die ausgleichend auf den Betriebszustand einwirken.
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Um die Erfindung näher zu erläutern, seien einige Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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In Abb. i ist eine Ermüdungsmaschine gezeichnet, bei der zwei auf
Torsionsschwingungen beanspruchte Schwingungsgebilde vorhanden sind. Es bedeutet
a eine Masse von bestimmtem Trägheitsmoment, die durch eine an sich beliebige Einrichtung
in Torsionsschwingungen um die Längsachse versetzt wird. Das Trägheitsmoment dieser
Masse wird mit Hilfe des die Torsionselastizität bewirkenden Körpers b auf die gewünschte
Abstimmung gebracht. Das Ende dieses Körpers b wird vorteilhaft mit dem Fundament
der Maschine fest verbunden. Mit der Massea ist ein weiterer Körper zur Erzeugung
einer zweiten Torsionselastizität gekoppelt, der hier beispielsweise als Rohr c
ausgebildet ist und an seinem Ende eine Masse von bestimmtem Trägheitsmoment trägt,
wodurch das zweite Schwingungsgebilde erhalten wird. Die Abstimmung dieser beiden
Schwingungsgebilde wird durch entsprechende Abmessungen so gewählt, daß der Unterschied
ihrer Resonanzfrequenzen mindestens gleich den im Betriebe vorkommenden Schwankungen
der Erregerfrequenz ist. Durch diese Anordnung wird erzielt, daß die Masse a in
einem bestimmten Frequenzbereich annähernd gleichbleibende Drehschwingungen ausführt.
Diese Drehschwingungen werden auf den Probestab f übertragen, der mit Hilfe des
Kopfes g in bezug auf diese Drehschwingungen starr im Gehäuseteil 1a eingelassen
ist. Der Probestab f ist im Kopfe g so geführt, daß er sich in der Längsrichtung
seiner Achse frei bewegen kann, um Längenänderungen infolge Temperaturerhöhung auswirken
zu lassen. In Abb. i ist die Masse e gleichzeitig als mechanische Dämpfung benutzt.
Die Masse besteht aus einzelnen auf dem Rohr c fest aufgesetzten Scheiben, die in
einer Flüssigkeit mit großem Reibungskoeffizient hin und her schwingen. Durch die
hierbei geleistete Reibungsarbeit wird die Maschine belastet, wodurch ein ruhiger
Lauf erzielt wird. Außer der beschriebenen Dämpfungseinrichtung können auch andere
ähnlich wirkende Vorrichtungen vorgesehen werden. Die Masse e kann beispielsweise
auch als Anker einer elektromagnetischen Anordnung ausgebildet werden, der sich
in magnetischen Feldern bewegt, wodurch eine abbremsende Wirkung durch die auftretenden
Induktionsströme erzielt wird.
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Es ist besonders vorteilhaft, das mit dem Fundament verbundene Schwingungssystem
als Torsionsschwingungssystem auszubilden, wie dies in Abb. i beschrieben ist. Die
Ausgestaltung des zweiten Schwingungssystems ist weniger von Belang. Es kann dieses
beispielsweise auch aus einzelnen auf Biegung beanspruchten Stäbchen bestehen.
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In der Praxis kommt häufig der Fall vor, daß eine verhältnismäßig
große Amplitude der Schwingungen bei gleichzeitig hoher Arbeitsfrequenz verlangt
wird. In diesem Falle wird erfindungsgemäß als Elastizität des ersten Schwingungsgebildes
eine Torsionsfeder verwandt, wie dies in Abb. a dargestellt worden ist. Durch die
Feder b wird der Masse a. eine verhältnismäßig hohe Abstimmung erteilt, wobei sehr
große Amplituden der Drehschwingungen gewährleistet sind. Als Elastizitäten des
zweiten Schwingungsgebildes sind hier beispielsweise auf Biegung beanspruchte Stäbe
in horizontaler Richtung angeordnet, die an ihren Ende ringförmige Dämpfungsflächen
tragen. Diese Dämpfungsfiächen ragen in eine mit stark dämpfender Flüssigkeit gefüllte
Rinne hinein, wodurch eine starke Belastung der Maschine gewährleistet ist. Der
übrige Teil der Maschine gleicht dem in Abb. i beschriebenen.
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In den beiden Abb. i und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens
beschrieben worden, bei denen im besonderen die Prüfkörper f so eingespannt sind,
daß diese in bezug auf Torsion beansprucht werden. Es kann jedoch auch der Prüfkörper
f mit der Masse a so in Verbindung gebracht werden, daß Dauerversuche in
bezug auf beliebig andere Belastungsweisen ausgeführt werden können. Die folgenden
Abb. 3 , bis 5 zeigen schematisch einige Ausführungsbeispiele, wobei von der eigentlichen
Prüfmaschine nur die Masse a gezeichnet ist, so daß sich die Abb. 3 bis 5 auf die
Deutlichmachung der Art der Verbindung des Probe- ; körpers mit der um ihre Achse
schwingenden Masse a beschränken. In Abb. 3 ist beispielsweise eine Einrichtung
beschrieben, mit deren Hilfe Zug- und Druckbeanspruchungen erzeugt werden können.
Es bedeutet a die in Drehschwingungen versetzte Masse a, auf welcher ein Spannkopf
i angebracht ist, in den der Probestab f eingespannt ist. Das andere Ende des Probestabes.f
ist in einer zweiten feststehenden Haltevorrichtung h gelagert. Es ist ohne weiteres
ersichtlich, daß durch eine derartige Einrichtung der Stab f auf Druck und Zug beansprucht
wird.
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In Abb. q. ist eine weitere Vorrichtung gezeigt, mit deren Hilfe der
Probestab f auf Biegung beansprucht werden kann.
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Bei Untersuchung größerer Serien von
Materialien können
auf dem Umfang der Masse auch in bekannter Weise eine Mehrzahl von solchen Einspannv
orrichtungen vorgesehen werden, so daß gleichzeitig mehrere Stäbe untersucht werden
können.
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Ferner können auch Einrichtungen getroffen werden, mit deren Hilfe
ein Probestab gleichzeitig zwei verschiedenen Belastungsweisen ausgesetzt werden
kann. In Abb. 5 ist eine derartige Einrichtung gezeigt, die dadurch gewonnen wird,
daß der Winkel zwischen Spannkopf i.', Mittelpunkt der Masse a und Achse des Probestabes
f zwischen. o bis cgo^ liegend gewählt wird. Es ist ersichtlich, daß der Probestab
f gleichzeitig Biege- und Druck- bzw. Zugbeanspruchungen ausgesetzt ist.
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Zur Prüfung der Eigenschaften eines Materials wird man, wie dies in
Abb. i und z gezeigt ist, Probestäbe von geeignet gewählten Abmessungen aus dem
zu untersuchenden Material herstellen. Es ist jedoch in der Technik häufig von Wichtigkeit,
das verwendete Material nicht nur in Form von Probestäben zu untersuchen, sondern
auch die Güte der fertigen Stücke, die den ganzen Fabrikationsprozeß durchlaufen
haben, festzustellen.
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Die Untersuchung von Federn, Spiralfedern usw.kann ohne weiteres in
den beschriebellen Anordnung erfolgen, wobei an Stelle des Probestabes die zu untersuchende
Feder eingespannt wird. Um in gewissen Fällen z. B. bei der Untersuchung von Spiralfedern
für Uhren einen sehr großen Verdrehungswinkel zu erhalten, wird vorteilhaft eine
Vergrößerungseinrichtung nach Abb.6 verwandt. Auf die Achse der :Maschine a ist
ein eine schwache Elastizität erzeugender Körper i aufgesetzt, der an seinem Ende
den kleinen Spannkopf in, trägt. Dieser Spannkopf »t führt stark vergrößerte Schwingungen
aus, die auf die zu prüfende Feder it übertragen werden.
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Bei der Ausführung von Ermüdungsversuchen ist es wünschenswert, die
durch die Maschine ausgeübte Beanspruchung möglichst naturgetreu den in der Praxis
vorkommenden Beanspruchungen anzugleichen. So ist es in manchen Fällen erforderlich,
einen Ermüdungsversuch an elastischen Bauteilen auszuführen, die außerdem noch unter
der Einwirkung einer statischen Kraft stehen. Ermüdungsversuche z. B. an Tragfedern
für Automobile, Eisenbahnwagen usw. müssen an gespannten Federn vorgenommen werden.
Es zeigt sich hierbei nun die Schwierigkeit, daß durch Anwendung starrer Spannvorrichtungen,
wie sie vorgeschlagen worden sind, die Feder ihre natürliche Schwingungsfähigkeit
verliert oder die Prüfmaschine selbst durch diese Vorspannung stark belastet wird.
Es wird deshalb vorgeschlagen, die statische Vorbelastung in bekannter Weise durch
eine besondere elastisch wirkende Vorrichtung zu .erzeugen, wodurch die genannten
Nachteile vermieden werden.
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In Abb. 7 ist beispielsweise eine derartige Einrichtung gezeichnet.
Zwei Federn o und p werden durch Bolzen q und Schraube r auf den Betriebszustand
gebracht und sind gegen feststehende Lager ,s gestützt. Bei t greift die Ermüdungsmaschine
an, wie dies schematisch in Abb. 3 gezeigt worden ist. Es ist ersichtlich, daß .durch
eine solche Einrichtung die beiden Federn o und p in natürlichem Belastungszustand
den Ermüdungsschwingungen ausgesetzt werden können, ohne daß die obengenannten Nachteile
auftreten. Es können hierbei zwei gleichartige Federn kombiniert werden, so daß
eine gleichzeitige Prüfung beider Federn erfolgt, oder aber es wird die eine Feder
so bemessen, daß die für die andere zu prüfende Feder zum Bruche führenden Belastungen
für die Spannfeder unschädlich sind.
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Ein Maß für die Güte des zu untersuchenden Materials oder Konstruktionsteiles
ist durch die Anzahl der Belastungen gegeben, die zum Bruche führen. Da der Prüfkörper
auf die Prüfmaschine selbst nur einen geringfügigen Einfluß ausübt, so ist im Gegensatz
zu statischen Prüfmaschinen ,der Zeitpunkt des Bruches oft nicht mit der erforderlichen
Genauigkeit festzustellen. Aber nicht nur der Zeitpunkt des völligen Bruches ist
von Interesse, sondern es ist für eine eingehende Beurteilung des Probekörpers der
Verlauf möglichst vieler physikalischer Eigenschaften desselben erwünscht, wie er
sich während des Versuches abspielt. Es wurde nun bereits vorgeschlagen, die Temperatur
des Probekörpers messend zu verfolgen, um aus dem Anstieg der Temperatur gewisse
Rückschlüsse ziehen zu können. Der Verlauf der Temperatur ist jedoch erst in sekundärer
Art von den Vorgängen im Gefügeaufbau abhängig. Es wird deshalb die Messung solcher
physikalischer Eigenschaften des Versuchskörpers vorgeschlagen, die bekanntlich
unmittelbar von dem Gefügeaufbau abhängig sind, und zwar insbesondere elektrische
Leitfähigkeit und magnetisches Verhalten. Um den Eintritt des völligen Bruches genau
festzustellen, wird ferner vorgeschlagen, die beim Bruch auftretenden starken Änderungen
einer physikalischen Eigenschaft zur Betätigung eines Relais zu benutzen, das optische
oder akutische Signale bedient und auch die Ermüdungsmaschine völlig abzuschalten
vermag. Am geeignetsten hierfür ist ein Relais, das durch die beim Bruche erfolgende
Öffnung
eines elektrischen Stromkreises betätigt wird. Auf diese
Weise ist es möglich, länger dauernde Ermüdungsversuche nach dem Einschalten völlig
sich selbst zu überlassen und trotzdem ein genaues Bild des Versuchsverlaufes zu
gewinnen.