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Dynamische lgaterialprüfmaschine für Biegungsbeanspruchung des sich
drehenden Prüfstabes Die Erfindung betrifft eine dynamische, also zur Feststellung
der Ermüdungsgrenze dienende Materialprüfmaschine, bei welcher der Prüfkörper einer
Biegungsbeanspruchung unterworfen wird, während er sich dreht. Bei der Maschine
sind in @ bekannter Weise die beiden Prüfstablager, welche sich durch die Belastung
senkrecht zur Prüfstabachse bewegen können, durch einen gemeinsamen, die Belastung
vermittelnden Hebel verbunden.
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Um diese Belastung in einfacher und stetiger Weise ändern zu können,
und um zugleich trotz hoher Drehzahl des Prüfstabes einen möglichst ruhigen Lauf
der Maschine zu erreichen, erfolgt die Belastung in stetig veränderlicher Weise
durch einen Hebel mit Laufgewicht. Um eine gleichmäßige Belastung, also ein gleichförmiges
Biegungsmoment - über die ganze Länge des Prüfstabes zu erreichen, sind die beiden
mittleren, die Last auf den Prüfstab übertragenden, also beweglichen, der vier Lager
der Maschine durch geeignete, an den festen Lagern angreifende Lenker o. dgl. geführt,
so daß der Abstand zwischen den beiden Lagerarten bei jeder Belastung genau gleichbleibt.
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Zur Vermeidung der Nebenschwingungen, die das Meßergebnis in Frage
stellen könnten, ist an den belasteten beweglichen Lagern eine Dämpfung beliebiger
Art, beispielsweise eine in -Glyzerin- o. dgl. Gefäße tauchende Platte angeordnet.
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Sehr vorteilhaft ist die Anordnung eines Thermoelements, das einerseits
zur dauernden Überwachung der Temperatur des Prüfstabes, der zweckmäßig durch eine
ölkühlung auf gleichbleibender Temperatur gehalten wird, und anderseits zur Aufnahme
von Temperaturkurven in Abhängigkeit von der Belastung dient. Ein genaues Meßergebnis
mittels eines solchen Thermoelements wird dadurch erzielt, daß das Thermoelement
mit dem Prüfstab umläuft, wobei die thermoelektrische Spannung über Schleifringe
mit geringem Übergangswiderstand zum elektrischen Meßinstrument geleitet wird. Hierbei
wird durch die Wahl des gleichen Materials für Schleifringe und Bürsten darauf geachtet,
da.ß auch bei der Stromabnahme oder an anderen Stellen keine thermoelektrische Spannung
auftreten kann; zweckmäßig erfolgt auch die Einführung des vom Thermoelement kommenden
Drahtes zu dem Kollektor derart, da:ß die Wärme des Kollektors nicht auf die Verbindungsstelle
des Drahtes übergehen kann.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer derartigen
Prüfmaschine mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Neuerungen im Längsschnitt.
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Der Prüfkörper r bildet in diesem Falle den mittleren Teil eines Wellenkörpers,
der in vier, zweckmäßig schwenkbaren, auf die Welle aufgesetzten Kugellagern a ruht,
und zwar sind diese Kugellager selbst in zweigeteilten Lagergehäusen 3, ¢ gehalten,
so da.ß dieser Wellenkörper und damit der Prüfstab leicht herausnehmbar und auswechselbar
ist. Die Böcke q., 5 der beiden äußeren Lager des
Wellenkörpers
sind fest mit dem Maschinengestell 6 verbunden, während die Böcke 7, 8 der beiden
mittleren Lager durch die im folgenden ausführlicher beschriebene Belastungsvorrichtung
mehr oder weniger nach unten gezogen werden können.
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Außer durch den Prüfstab i wird der Wellenkörper im wesentlichen durch
die beiden Wellenstücke 9 und io gebildet, .auf denen auch je zwei der Kugellager
2 befestigt sind. Damit möglichst wenig Material als Prüfstab benctigt wird und
ferner eine sichere, genau zentrische, anderseits aber auch leicht lösbare Einspannung
des Prüfkörpers erfolgt, ist der Prüfstab i mittels langer, sich an die eigentliche
Meßstrecke anschließender Paßkegel i' in die beiden Wellenstücke 9, 1o eingespannt
und wird mittels besonderer Schrauben i i, 12 fest in die kegelförmigen Sitzfi,ächen
hineingezogen. Das Wellenstück io ist zweckmäßig mittels einer biegsamen Welle mit
dem Antriebsmotor 13 verbunden, zweckmäßig unter Zwischenschaltung eines Zählwerks
für die Drehzahlen.
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Die beweglichen Lager 7, 8 liegen. zweckmäßig in gleichen Abständen
von den festen Lagern ¢, 5 und sind, wie irn folgenden beschrieben wird, mit gleich
großen Kräften belastet. Falls eine andere Anordnung, beispielsweise eine verschieden
große Lagerentfernung, zwischen diesen Lagern gewählt wird, ist die Belastung der
beweglichen Lager 7, 8 entsprechend derart gewählt, daß über die Meßstrecke des
Prüfstabes i ein an jeder Stelle gleich großes Biegungsmoment erzeugt wird. Jedenfalls
empfiehlt es sich, die beweglichen Lager 7, 8 durch geeignete, an den festen Lagern
4, 5 angreifende Lenker, durch mit dem Gestell 6 der Maschine verbundene Gleitbahnen
o. dgl. derart zu führen, daß der Abstand zwischen den beiden Lagerarten bei jeder
Belastung genau gleichbleibt, da dieser Abstand für die Größe des den Prüfstab.
belastenden Biegungsmoments maßgebend ist. Anderseits ist es zweckmäßig, den Wellenkörper
1, 9 und io selbst nur in einem der beweglichen Lager 7, 8 in axialer Richtung festzuhalten,
während den übrigen drei Lagern gegenüber eine axiale Verschiebung dieses Wellenkörpers
möglich ist. Dies hat den Zweck, mit Sicherheit Zugbeanspruchungen vom Prüfstab
i feruzuhalten.
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Besonders wichtig ist es, die Temperatur um den Prüfkörper i während
der Prüfung konstant zu halten, weil sich die Festigkeitseigenschaften der Materialien
außerordentlich mit der Temperatur ändern und eine ganze Reihe von Stoffen, z. B.
hochwertiger Werkzeugstahl, sich schon weit unterhalb der Ermüdungsgrenze stark
erwärmt. Zur Gleichhaltung der Temperatur liegt um den Präfstabschaft ein zweckmäßig
zweigeteiltes Kästchen oder ein Trog 14, in dessen Innerem oberhalb des Prüfstabes
1 ein. ölzuführungsrohr 15 mit nach, unten gerichteten. Spritzlöchern 15' liegt.
Das auf den Prüfstab i in dauerndem Strahl gespritzte öl fließt unten aus dem Kasten
durch ein Rohr 16 ab. Eine in die ölleitung geschaltete Pumpe sorgt für den steten
Umlauf des öles. Damit das öl nicht seitlich aus dem Kasten 14 herausdringen kann,
sind an den beiden Wellenteilen 9, io große Spritzringe 17 angebracht.
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Die Belastung der beweglichen Lager 7 und 8 und damit des Prüfstabes
erfolgt bei der dargestellten Maschine durch Stangen 18, die bei i9 mittels Kardangelenke
an einem Querstab 20 angreifen, mit dessen Mitte durch eine kurze Zwischenstange
21 o. dgl. ein bei 22 drehbar gelagerter langer Hebel 23 verbunden ist. Auf dem
freien Arm dieses Hebels ist durch eine beliebige geeignete Vorrichtung 24 ein Laufgewicht
25 verschiebbar, derart, daß je nach der Stellung dieses Laufgewichtes die beiden
beweglichen Lager 7 und 8 und damit der Prüfstab i mehr oder weniger belastet ist.
Diese Belastung erfolgt bei der dargestellten Ausführung sehr gleichmäßig und .genau,
besonders dann, wenn die einzelnen Gelenkpunkte als Schneidengelenke oder, weil
zweckmäßiger, mit Rücksicht auf die durch die hohen Drehzahlen entstehenden Erschütterungen,
als Kugellager ausgeführt sind.
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Die Stellung des Laufgewichtes 25 ist außen zweckmäßig an einer Skala
ablesbar, welche am besten sogleich die Spannungsbelastung des Prüfkörpers angibt.
Durch das Verschieben des Laufgewichtes kann die Prüfkörperbelastung in sehr stetiger
und bequemer Weise geändert werden. Bei einem Antrieb mittels Elektromotors wird
in an sich bekannter einfacher Weise die Motorleistung festgestellt und dann die
Leistungskurve, d. h. die vom Motor aufgebrachte Leistung in Abhängigkeit von der
Beanspruchung des Prüfstabes aufgetragen. Diese Kurve ist für das Verhalten der
verschiedenen Materialien äußerst kennzeichnend. Man kann sie bei laufenden Prüfungen,
also ständiger überwachung des Materials, zur Feststellung der Ermüdungsgrenze benutzen,
wenn man einmal für das betreffende Material 'an Hand von Dauerversuchen festgestellt
hat, an welcher Stelle die Leistungskurve den f iir die Ermüdungsgrenze charakteristischen
Knick aufweist.
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An dem anderen Arm des Hebels 23 befindet sich zweckmäßig ein Gegengewicht
26, das die Belastung des Hebels 23 durch die Gewichte der an der Stange 21 angreifenden
Maschinenteile in der Nullstellung des Laufgewichtes
25 möglichst
ausgleicht, so daß in diesem Falle die beweglichen Lager 7,8
genau in der
Verlängerung der festen Lager 4,5 liegen. Außerdem ist beispielsweise an diesem
Ausgleichgewicht 26 eine Arretierung 27 in der Weise angebracht, daß der Laufgewichtswaagebalken
genau in der Stellung gehalten wird, in welcher die Achse der beweglichen Lager
7, 8 in die Verbindungslinie der festen Lager 4., 5 fällt. Hierdurch werden beim
Einspannen des Probestabes i Klemmungen und Verbiegungen mit Sicherheit von ihm
ferngehalten;.
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Die Größe der Verschiebung der beweglichen Lager 7, 8 infolge der
Verstellung des Laufgewichtes 2 5 kann in an sich beliebiger Weise gemessen werden.
Zweckmäßig werden jedoch gemäß der Erfindung an Bügeln 37 des Maschinengestells,
welche über die Lager 7, 8 greifen, Meßuhren 38 angebracht, welche die Bewegung
dieser Lager in sehr einfacher und genauer Weise abzulesen gestatten.
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Bei den hohen Drehzahlen, die, wie erwähnt, der Prüfstab i während
der Durchführung der Versuche zweckmäßig macht, treten sehr erhebliche Erschütterungen
und Nebenschwingungen auf, welche, wenn sie nicht vollkommen beseitigt werden, zusätzliche
Beanspruchungen im Prüfstab hervorrufen, die, da sie sich in keiner Weise feststellen
lassen, das Meßergebnis äußerst unsicher machen würden. Zur Vermeidung dieses Nachteiles
sind die beweglichen Lager 7, 8 mit einer Dämpfung versehen. In dem Ausführungsbeispiel
sind zu diesem Zweck in dem Gestell der Maschine Gefäße 28 angebracht, die mit öl,
Glyzerin oder einer anderen dämpfenden. Flüssigkeit gefüllt sind. Platten 29, welche
den Gefäßquerschnitt bis auf einen kleinen Spalt ausfüllen, sind in beliebiger Weise
mit den Lagern 7, 8 verbunden, z. B. mittels der Bügel 3o, die an dem Querstab 2o
befestigt sind. Die Platten 29 können sich somit an der Bewegung der Lager 7, 8
senkrecht zur Achse des Wellenkörpers 1, 9, io beteiligen. Diese Dämpfungsvorrichtungen
beseitigen jede Erschütterung oder Nebenschwingung vollständig.
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Zur dauernden Überwachung der Temperatur des Prüfstabes i und gegebenenfalls
auch zur Aufnahme von Temperaturkurven in Abhängigkeit von der Prüfstabbelastung
findet zweckmäßig ein Thermoelement Anwendung. Da ein derartiges Thermoelement,
selbst wenn es in unmittelbarer Nähe des Prüfstabes i angeordnet wird, eine Messung
mit nur zweifelhafter Genauigkeit ermöglicht, wird gemäß der Erfindung das Thermoelement
mit dem Prüfstab unmittelbar verbunden, so daß es mit diesem umläuft. Das Thermoelement
wird daher zweckmäßig, wie dies bei 31 ersichtlich ist, unmittelbar auf die Meßstrecke
des Prüfstabes aufgeklemmt. Die beiden Drähte 32 des Thermoelements sind zu den
Spritzringen 17 geführt. Die thermoelektrische Spannung wird mittels Schleifbürsten
33 von den Kollektorringen 3q. abgenommen, wobei darauf zu achten ist, daß ein möglichst
geringer übergangswiderstand an dieser Stelle vorliege. Auch müssen die Bürsten
33 aus gleichem Metall gewählt werden wie die Ringe 3q., da sich der Kollektor infolge
der Bürstenreibung stets etwas erwärmt und bei verschiedenem Material ein eigenes
Thermoelement bilden würde. Damit diese Erwärmung des Kollektorringes 3¢ sich auch
nicht auf die im Spritzring 17 liegende Einspannstelle 35 des Drahtes 32 übertragen
kann, ist zwischen diesem Ring 17 und dem Kollektor 34. eine wärmeisolierende Schicht
36 angeordnet, welche zur Übertragung der Meßspannung nur an einer Stelle durch
einen dünnen Draht durchbrochen wird. Zur Feststellung der Spannung des Thermoelements
dient ein übliches elektrisches Meßgerät.
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Damit beim Bruch des Prüfstabes i die Maschine sich sofort selbsttätig
ütillsetzt, trägt gemäß der Erfindung der Läufgewichtshebe123 einen Anschlag, welcher
beim Herumschwingen des Hebels im Augenblick des Bruches des Prüfstabes auf einen
in die Motorleitung geschalteten Kontakt trifft und durch dessen öffnen den Motorstromkreis
sofort unterbricht.