DE20020909U1

DE20020909U1 - Device for carrying out force-controlled fatigue tests on thin samples

Info

Publication number: DE20020909U1
Application number: DE20020909U
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2000-12-09
Filing date: 2000-12-09
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2010-12-10

Description

Forschungszentrum Karlsruhe, den 06. Dezember 2000Karlsruhe Research Center, 6 December 2000

Karlsruhe GmbH PLA 0077 We/heKarlsruhe GmbH PLA 0077 We/he

ANR 5661498ANR 5661498

Vorrichtung zur Durchführung von kraftgesteuerten Ennüdungsversuchen an dünnen ProbenDevice for carrying out force-controlled deformation tests on thin samples

Vorrichtung zur Durchführung von kraftgesteuerten Ermüdungsversuchen an dünnen ProbenDevice for carrying out force-controlled fatigue tests on thin samples

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von kraftgesteuerten Ermüdungsversuchen an dünnen Proben im Zugversuch zum Einsetzen zwischen zwei Auflagern einer Prüfmaschine, wobei je Auflager eine Einspannung für die Probe vorgesehen ist und ein Auflager mit einer Kraftmessdose versehen ist, gemäss des ersten Schutzanspruchs.The invention relates to a device for carrying out force-controlled fatigue tests on thin specimens in the tensile test for insertion between two supports of a testing machine, wherein a clamping for the specimen is provided for each support and one support is provided with a load cell, according to the first protection claim.

Ermüdungsversuche an Werkstoffen erfolgen oft im Rahmen von Zugversuchen. Hierbei wird eine Zugprobe an beiden Enden in je einer Einspannung form-, kraft- oder stoffschlüssig fixiert, welche wiederum an den Auflagern einer Prüfmaschine befestigt sind. Meist ist ein Auflager mit dem Prüfmaschinenantrieb verbunden, während das andere Auflager meist über eine Kraftmessdose an dem Prüfmaschinenrahmen befestigt ist. Die Zugprobe weist in der Regel ein Messvolumen auf, welches konstruktiv als schwächste Stelle in der Probe gestaltet einen im Regelfall entlang der Prüfmaschinenachse gleichbleibenden Querschnitt aufweist.Fatigue tests on materials are often carried out as part of tensile tests. In this case, a tensile specimen is fixed at both ends in a clamping device, either form-fitting, force-fitting or material-fitting, which in turn are attached to the supports of a testing machine. Usually one support is connected to the testing machine drive, while the other support is usually attached to the testing machine frame via a load cell. The tensile specimen usually has a measuring volume, which is structurally designed as the weakest point in the specimen and usually has a constant cross-section along the testing machine axis.

Die Durchführung kraftgeregelter Ermüdungsversuche erfolgt meist in einem geschlossenen Regelkreis. Dabei wird eine tatsächliche, durch den Prüfmaschinenantrieb auf die Probe aufgebrachte Prüfkraft von der Kraftmessdose gemessen, dieser Wert als Kraft-Istwert mit einem vorgegebenen Kraft-Sollwert verglichen und das Differenzsignal für eine Korrektur für die Ansteuersignale für den Prüfmaschinenantrieb herangezogen. Je nach Prüffreguenz, auftretenden Massenträgheitskräften und Anforderung des Ermüdungsversuchs wird entweder der gesamte Signalverlauf oder nur die Mittelwerte mit den Amplituden der Prüfkraft für die Regelung herangezogen.Force-controlled fatigue tests are usually carried out in a closed control loop. The actual test force applied to the sample by the test machine drive is measured by the load cell, this value is compared as an actual force value with a specified force target value and the difference signal is used to correct the control signals for the test machine drive. Depending on the test frequency, the mass inertia forces that occur and the requirements of the fatigue test, either the entire signal curve or only the mean values with the amplitudes of the test force are used for the control.

Bei Zugproben mit geringem Querschnitt oder mit niedrigen Zugfestigkeiten, beispielsweise Einzelfasern, treten im Ermüdungsversuch Zugkräfte auf, welche durch die für die vorliegende Belastung in der Regel überdimensionierten Kraftmessdosen derIn the case of tensile specimens with a small cross-section or with low tensile strengths, for example single fibres, tensile forces occur in the fatigue test, which are usually oversized for the load in question by the load cells of the

Prüfmaschine nur unzureichend genau erfassbar sind. Der Einsatz von speziellen Kraftmessdosen für sehr geringe Prüfkräfte scheidet oft aus Kostengründen aus. Zudem sind derartige Kraftmessdosen sehr empfindlich gegenüber Über- und Fehlbeanspruchung. Ein Austausch von Kraftmessdosen in einem geschlossenen Regelkreis bedeutet insbesondere bei einfachen älteren Prüfmaschinen auch einen gewissen Kalibrierungsaufwand nach erfolgter Umrüstung.testing machine cannot be measured with sufficient accuracy. The use of special load cells for very low test forces is often ruled out for cost reasons. In addition, such load cells are very sensitive to excessive and incorrect loading. Replacing load cells in a closed control loop also means a certain amount of calibration work after conversion, particularly in the case of simple, older testing machines.

Aufgabe der Neuerung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung von kraftgeregelten Ermüdungsversuchen an dünnen Proben im Zugversuch zum Einsetzen zwischen zwei Auflagern einer mit Kraftmessdose und Prüfmaschinenantrieb ausgestatteten Prüfmaschine zu entwickeln, welche sich von dem zuvor genannten allgemeinen Stand der Technik dadurch abhebt, dass sie für die Kraftregelung im geschlossenen Regelkreis auf die in der Prüfmaschine vorhandenen Mess- und Antriebsvorrichtung ohne Änderung zurückgreift und die an der dünnen Probe auftretenden geringen Zugkräfte auf geeignete Weise übersetzt an die Kraftmessdose mechanisch verstärkt weitergibt.The aim of the innovation is to develop a device for carrying out force-controlled fatigue tests on thin specimens in the tensile test for insertion between two supports of a testing machine equipped with a load cell and a testing machine drive, which differs from the general state of the art mentioned above in that it uses the measuring and drive device present in the testing machine without modification for force control in the closed control loop and passes on the small tensile forces occurring on the thin specimen to the load cell in a suitable manner in a mechanically amplified manner.

Die Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung an.The object is achieved with the device described in claim 1. The further claims specify preferred embodiments of the device.

Die neuheitsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand einer Zeichnung einer möglichen Ausführungsform erläutert.The novel device is explained below using a drawing of a possible embodiment.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung zwischen den Auflagern einer Prüfmaschine mit Kraftmessdose in prinzipieller Darstellung.Fig. 1 shows the device between the supports of a testing machine with load cell in a basic representation.

Die neuheitsgemäße Vorrichtung in der beschriebenen Ausführungsform setzt sich, wie in Fig. 1 dargestellt, im wesentlichen aus einer oberen und einer unteren Einspannung 1 bzw. 2 für die dünne Probe 3 sowie einem Hebelmechanismus, bestehend aus Hebel 4, Stützstab 5 und Zugstab 6 zusammen. Ferner weist die beschriebene Ausführungsform in Verlängerung zum Hebel eine an diesen starr angebrachte Biegefeder 7 auf, an deren Ende ein NylonfadenThe novel device in the described embodiment consists, as shown in Fig. 1, essentially of an upper and a lower clamping device 1 and 2 for the thin sample 3 and a lever mechanism consisting of a lever 4, a support rod 5 and a tension rod 6. Furthermore, the described embodiment has a bending spring 7 rigidly attached to the lever, at the end of which a nylon thread

8 befestigt ist, welcher zentrisch mit der oberen Einspannung 1 für die dünne Probe verbunden ist. Die Biegefeder ist zur Messung der Biegeverformung und damit zur Ermittlung der Zugkraft in der dünnen Probe ein- oder beidseitig mit Dehnungsmessstreifen (DMS) 14 versehen. Dabei sind die DMS in vorteilhafter weise so in der Vorrichtung integriert, dass zwischen ihnen und der dünnen Probe nur geringe bewegte Massen sind, d. h. möglichst wenig Massenkräfte auftreten und dadurch der zyklische Belastungsverlauf in der Probe während des Ermüdungsversuchs nur mit geringen Phasenfehlern messbar wird. Der Hebelmechanis-mus und die Biegefeder 7 verursachen eine parallel zur Symme-trieachse der Prüfmaschine angeordnete Exzentrizität der Probe, wobei diese im Bereich der unteren Einspannung 2 über einen biegesteifen Träger 10 realisiert werden muss. Die Probe 3 ist dabei stets parallel zur Symmetrieachse 9, welche durch die beiden Auflager der Prüfmaschine verläuft, auszurichten.8, which is centrally connected to the upper clamping device 1 for the thin sample. The bending spring is provided with strain gauges (DMS) 14 on one or both sides to measure the bending deformation and thus to determine the tensile force in the thin sample. The DMS are advantageously integrated into the device in such a way that there are only small moving masses between them and the thin sample, i.e. as few inertial forces as possible occur and the cyclic load curve in the sample can therefore only be measured with small phase errors during the fatigue test. The lever mechanism and the bending spring 7 cause an eccentricity of the sample arranged parallel to the axis of symmetry of the testing machine, whereby this must be realized in the area of the lower clamping device 2 via a rigid support 10. The sample 3 must always be aligned parallel to the axis of symmetry 9, which runs through the two supports of the testing machine.

Die Vorrichtung wird in eine Prüfmaschine eingesetzt, wobei die beschriebene Ausführungsform speziell für eine Anordnung mit obenliegender Kraftmessdose 11 und untenliegendem Prüfmaschinenantrieb ausgelegt ist. Die Kraftmessdose 11 bildet dabei das obere Auflager und ist unterhalb des Querhauptes 12 der Prüfmaschine fest mit diesem verbunden. Das untere Auflager 13 ist dagegen entlang der Symmetrieachse 9 beweglich mit dem in Fig. 1 nicht dargestellten Prüfmaschinenantrieb fest verbunden.The device is used in a testing machine, whereby the described embodiment is specifically designed for an arrangement with a load cell 11 on top and a testing machine drive underneath. The load cell 11 forms the upper support and is firmly connected to the crosshead 12 of the testing machine below it. The lower support 13, on the other hand, is movable along the axis of symmetry 9 and firmly connected to the testing machine drive (not shown in Fig. 1).

Der Hebelmechanismus ist mit dem Stützstab 5 an das Querhaupt der Prüfmaschine oder, wie in Fig. 1 dargestellt an das Gehäuse der Kraftmessdose 11, welches sich fest auf das Querhaupt 12 abstützt, befestigt, während der Zugstab 6 fest mit dem aktiven Teil der Kraftmessdose 11 verbunden und exakt auf der Symmetrieachse 9 angeordnet ist. Bei der beschriebenen Ausführungsform stützt sich der Hebel 4 jeweils über ein Schneidenlager auf den Stützstab 5 und den Zugstab 6 ab. Als eine alternative Gestaltung für den Zugstab bietet sich ein Drahtseil an, welches als biegeweiche Komponente durch eine Bohrung in den Hebel 4 eingelassen ist und dabei auch das Schneidlager ersetzt.The lever mechanism is attached to the crosshead of the testing machine with the support rod 5 or, as shown in Fig. 1, to the housing of the load cell 11, which rests firmly on the crosshead 12, while the tension rod 6 is firmly connected to the active part of the load cell 11 and is arranged exactly on the axis of symmetry 9. In the embodiment described, the lever 4 rests on the support rod 5 and the tension rod 6 via a cutting bearing. An alternative design for the tension rod is a wire rope, which is embedded as a flexible component through a hole in the lever 4 and also replaces the cutting bearing.

Über den Hebelmechanismus werden die Zugkräfte in der Probe 3 im Verhältnis der Hebellängen Ll / L2 (vgl. Fig. 1) übersetzt auf die Kraftmessdose übertragen. Die so vergrößerte Kraft, welche auf den Messbereich der Kraftmessdose abgestimmt werden kann, wird als Istwert als Regelparameter für die Prüfmaschinensteuerung herangezogen.The tensile forces in sample 3 are transferred to the load cell via the lever mechanism in the ratio of the lever lengths Ll / L2 (see Fig. 1). The force thus increased, which can be adjusted to the measuring range of the load cell, is used as the actual value as a control parameter for the testing machine control.

Massenkräfte durch zyklische Bewegung der Massen einzelner Komponenten treten mit zunehmender Prüffrequenz während eines Ermüdungsversuches auf und verursachen eine Phasen- und Amplitudenfehler bei der Messung. Da die Vorrichtung mit der Probe während eines zyklischen Ermüdungsversuch näherungsweise als Feder-Massen-Dämpfungssystem mit konstanten Parametern angenommen werden kann, bietet sich an, dass die einzustellenden Amplitudenwerte für die Maschinenregelung zunächst mit Hilfe der DMS 14, welche die Zugspannung und den Phasenverlauf in der Probe 3 aufgrund nur kleiner zwischengeschalteter Massen zwischen DMS 14 und Probe 3 mit deutlich geringeren Phasen- und Amplitudenfehlern misst, kontrolliert und eingestellt wird. Die so eingestellten und beibehaltenen Parameter für die Prüfmaschinenregelung gewährleisten eine zuverlässige Dauerschwingbelastung mit gleichbleibender Amplitude und Mittelwert der Probe.Mass forces due to cyclic movement of the masses of individual components occur with increasing test frequency during a fatigue test and cause phase and amplitude errors in the measurement. Since the device with the sample can be assumed to be approximately a spring-mass damping system with constant parameters during a cyclic fatigue test, it is advisable to initially check and set the amplitude values to be set for the machine control using the DMS 14, which measures the tensile stress and the phase curve in sample 3 with significantly lower phase and amplitude errors due to only small intermediate masses between DMS 14 and sample 3. The parameters set and maintained in this way for the testing machine control ensure reliable fatigue loading with a constant amplitude and mean value for the sample.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

1.1. obere Einspannungupper clamping 2.2. untere Einspannunglower clamping 3.3. Probesample 4.4. Hebellever 5.5. StützstabSupport rod 6.6. ZugstabTension rod 7.7. BiegefederBending spring 8.8th. NylonfadenNylon thread 9.9. SyiranetrieachseSyiranetry axis 10.10. Trägercarrier 11.11. KraftmessdoseLoad cell 12.12. QuerhauptCrosshead 13.13. Unteres AuflagerLower support 14.14. DehnungsmessstreifenStrain gauges

Claims

1. Device for carrying out force-controlled fatigue tests on thin samples ( 3 ) in a cyclic tensile test for insertion between two supports of a testing machine, wherein a clamping device ( 1 , 2 ) for the sample is provided for each support and one support is provided with a load cell ( 11 ), characterized in that a lever mechanism for amplifying the test force in the thin sample ( 3 ) on the load cell ( 11 ) is interposed between the support with the load cell ( 11 ) and the clamping device.

2. Device according to claim 1, characterized in that the lever mechanism consists of a lever ( 4 ), a support rod ( 5 ) and a tension rod ( 6 ).

3. Device according to claim 2, characterized in that the pull rod ( 6 ) is designed as a flexible wire rope.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that one support, preferably the lower support ( 13 ) of the testing machine is connected to the testing machine drive and the other support, preferably the upper support of the testing machine is equipped with the load cell ( 11 ).

5. Device according to claim 4, characterized in that a bending spring ( 7 ) is attached to the lever ( 4 ) as an extension, to the end of which a nylon thread ( 8 ) is attached, which is centrally connected to the clamp, preferably the upper clamp ( 1 ) for the thin sample ( 3 ), the bending spring ( 7 ) is provided with strain gauges ( 14 ) on one or both sides for measuring the bending deformation and thus for determining the tensile force in the thin sample ( 3 ), and the other, preferably lower clamp ( 2 ) is connected via a carrier ( 10 ) to the other, preferably lower support ( 13 ) in such a way that the thin sample ( 3 ) is aligned parallel to the axis of symmetry ( 9 ) of the testing machine.