DE637401C - Hydraulisch wirkende, in Resonanz arbeitende Pruefmaschine fuer hohe Wechselbelastungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf hydraulisch

wirkende Prüfmaschinen für hohe Wechselbelastungen und schnelle Lastwechsel mit einem schwingungsfähigen, in Resonanz ar-

beitenden System. ^v

Die meisten bekannten Prüfmaschinen für Wechselbelastungen arbeiten mit zwangsläufigem Antrieb, derart, daß die von einem Getriebe erzeugte wechselnde Beanspruchung unmittelbar mechanisch oder mittelbar über ein hydraulisches Zwischenglied auf den Prüfkörper übertragen wird. Wegen der bekannten Getriebeschwierigkeiten und Massenwirkungen unterliegen diese Maschinen hinsichtlieh der Größe der Prüfkräfte, der Schwinghübe und insbesondere der erreichbaren Wechselzahlen einer gewissen Beschränkung. Es sind auch Prüfmaschinen bekanntgeworden, die als schwingungsfähiges Gebilde ausgestaltet sind und in Resonanz arbeiten. Dabei ist in der Regel der Prüfkörper selbst^ teilweise in Verbindung mit weiteren metallischen Federkörpern, als elastisches Glied des schwingungsfähigen Gebildes ausgenutzt.

Solche Maschinen ermöglichen zwar hohe Wechselzahlen, lassen aber nur kleine Kräfte und kleine Schwinghübe zu und eignen sich nur zur Untersuchung kleiner und kleinster Prüfstäbe. Bei solchen Maschinen ist es auch bekanntgeworden, die Schwingung durch einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom zu erregen und anzutreiben, was jedoch an der obigen Einschränkung hinsichtlich der erreichbaren Kräfte und Schwinghübe nichts ändert. Schließlich hat man auch Gase als elastische Mittel in Vorschlag gebracht. Diese eignen sich jedoch im vorliegenden Falle schlecht als Federungsglied, da ihre Volumenänderung nicht proportional mit der Belastung ist; überdies bringt ihre Anwendung Schwierigkeiten verschiedener Art in der Schmierung, Dichtung, Kühlung usw. mit sich.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die elastische Formänderung einer in einem Hohlraum eingeschlossenen Flüssigkeitsmenge unter Druck einen idealen, dauerbruchsicheren, äußerst einfachen und billigen Federkörper von großem Arbeitsvermögen darstellt, dessen Formänderung in weiten Grenzen praktisch proportional mit der Belastung ist. Die Erfindung nutzt die Elastizität solcher Ölmengen als Federkörper in dem schwingungsfähigen System einer Prüfmaschine für Wechselbelastungen aus. Dadurch umgeht sie die bei zwangsläufig arbeitenden Maschinen bestehenden Schwierigkeiten hochbelasteter Getriebe. Das große Arbeitsvermögen der Ölräume gestattet die Anwendung hoher und höchster Prüfkräfte bei relativ großem Schwinghub und sehr hoher

*) Fon dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Heins Rammelt in Mannheim.

Wechselzahl. Die Maschine nach dem Erfindungsgegenstand eignet sich also zur "Untersuchung großer Prüfkörper, etwa ganzer struktionselemente U: dgl. .

Erfindungsgemäß wird das ^jp

fähige System zweckmäßig so ausgestäiy|;}'^: daß der Elastizität des im Arbeitszylinder deür Maschine eingeschlossenen Öles eine weitere elastische Ölmenge als Gegenfeder zugeordnet und zwischen beide als Energieträger eine Mn und her gehende oder drehende Masse geschaltet wird. ' Die Federkonstante dieser Ölmengen läßt sich durch Vergrößern oder Verkleinern derselben in bequemster Weise regeln, wodurch in an sich bekannter Weise die Eigenschwingungszahl des Systems abgestimmt werden kann. Die Schwingbewegung selbst wird in an sich bekannter Weise und mit· beliebigen bekannten Mitteln erregt und unterhalten. Desgleichen können für 'die selbsttätige Regelung des Schwingungsvorganges die von anderen Schwingern bekannten Mittel sinngemäß verwendet werden.

Die als Gegenelastizität verwendete Ölmenge dient dazu, in" der Maschine eine Vorspannung zu erzeugen, welche als Schwingungsmittellage wirkt. Sie entspricht der auf die Probe wirkenden Mittelspannung. Die Schwingungsausschläge verlaufen symmetrisch zu beiden Seiten dieser Gleichgewichtslage und erzeugen dabei in der Probe entsprechende Spannungsausschläge bis zur oberen bzw. unteren Grenzspannung.

Durch richtige Wahl der Vorspannung lassen sich beliebige Spannungsgrenzen der Wechsellast einstellen. Es ist ohne weiteres offenbar, daß Wechselbeanspruchungen möglich sind, die zwischen beliebig wählbaren

4.0 oberen und unteren Spannungsgrenzweiten desselben Vorzeichens schwanken. Weiter kann die untere Lastgrenze mit der Beanspruchung Null zusammenfallen, was dem Wert der sog. Ursprungsfestigkeit entspricht.

Schließlich können durch doppelt wirkende Ausgestaltung der Maschine auch Kräfte wechselnden Vorzeichens — Wechsel zwischen Zug und Druck oder i-Biegung — aufgebracht werden. Hierbei kann die Gleichgewichtslage (Vorspannung) den Wert Null oder· einen beliebigen positiven oder negativen Wert haben. ·

In der Zeichnung ist in Abb. 1 eine Maschine für wechselnde Zugkräfte dargestellt.

Im Arbeitszylinder 1 ist ein Kolben 2 eingeschliffen, der über ein Gehänge 3, 4, 5 den oberen Spannkopf 6 trägt. Zwischen diesem und dem unteren Spannkopf 7 ist eine Probe 8 eingespannt. Der Kräftefluß ist durch den Maschinenrahmen 9 geschlossen. Dem Zylinderraum ι ist nun ein zweiter Ölraum 10 angeschlossen, der durch an sich bekannte Mittel, beispielsweise eine Pumpe 11, gefüllt und inter beliebige Vorspannung gesetzt wird.

se Vorspannung teilt sich auch dem ZylincjSirrauin 1 und damit der Probe mit und bestimmt damit die Gleichgewichtslage des * "S chwingungs Vorganges.

Die Räume 1 und 10 sind nicht unmittelbar verbunden, vielmehr mündet die Verbindungsleitung in zwei kleine Zylinder 12 und 13, die durch 'einen Doppelkolben 14 überbrückt werden. Da die beiden Seiten des Doppelkolbens

14 gleichen Querschnitt haben, sind die Drücke

zu beiden Seiten bei ruhendem Kolben gleich und die Anordnung wirkt wie eine direkte Verbindung der Räume 1 und 10. Der Doppelkolben 14 ist mit einer abstimmbaren Masse

15 ausgerüstet. Das so erhaltene System wirkt wie eine zwischen zwei Federn eingespannte Masse und stellt ein schwingungsfähiges Gebilde dar. An Stelle der einen Feder wirkt dabei im wesentlichen die elastische Zusammendrückbarkeit des Ölraurnes 1 sowie zusätzlich die Elastizität der Glieder 3,4, S, 8 und 9, als zweite bzw. Gegenfeder die Elastizität des Ölraumes 10. Stößt man nun die Masse 1S durch an sich bekannte Mittel der Schwingungstechnik in der Pfeilrichtung in einem Rhythmus an, der der Eigenfrequenz des Systems entspricht, so läßt sich das System durch verhältnismäßig kleine Erregerkräfte zu großen Amplituden aufschaukeln. Die Größe des Schwingungsausschlages ist bekanntermaßen der Spannung der Federsysteme und damit auch der Beanspruchung der Probe unmittelbar proportional. Durch Wahl der Vorspannung von 1 und 10 und durch passende Begrenzung der Amplituden von 15, wozu die Schwingungstechnik die verschiedensten Möglichkeiten bietet, sind also die 'Lastgrenzen beliebig einstellbar. Als Schwingungserreger kommen die bekannten Mittel der Schwingungstechnik, beispielsweise umlaufende Wuchtmassen, elastische Kopplungen, elektromagnetische Erreger u. dgl. in Frage.

Die Eigenfrequenz des Systems und damit die Betriebswechselzahl kann in an sich "bekannter Weise durch Ändern der schwingenden Masse 15 oder durch Änderung der Elastizität (Federkonstante) nach Belieben variiert werden. Die Elastizität läßt sich in einfachster Form durch Vergrößern oder Verkleinern der Ölräume 1 und 10 abstimmen.

Es ist ohne weiteres ,verständlich, daß für die geschilderte Anordnung alle Vorteile der in Resonanz arbeitenden Maschine gegenüber dem zwangsläufigen Getriebe ins Feld zu führen sind, nämlich bester.Wirkungsgrad, *2° geringste Verluste, keine Getriebereibung, keine Getriebeerwärmung, Belastung des er-

regenden Getriebes nur durch die dem Dämpfungsverlust entsprechenden kleinen Kräfte, die nur einen geringen Bruchteil der bei Zwangslaufgetrieben wirksamen vollen Priifkräfte erreichen, daher kleine und sehr leichte Getriebe, Möglichkeit sehr hoher Wechselzahlen u. dgl.

Bei der geschilderten Anordnung ist eine bestimmte Mittellage zum Ausgangspunkt genommen, bei welcher zu beiden Seiten des Doppelkolbens 14 gleicher Druck (entsprechend der Vorspannung) herrscht. Um diese Mittellage schwingt die Masse 15 zu gleichen Beträgen nach links und rechts. Mit Rücksieht auf den Schwingungserreger ist es nun erforderlich, daß diese Gleichgewichtslage räumlich im System eindeutig festgelegt ist, ihr also eine bestimmte Schwingkolbenstellung entspricht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der Mittellage durch den Schwingkolben selbst ein Uniführungskanal zwischen 1 und 10 geöffnet und damit der Druckausgleich in der Mittellage erzwungen wird.

as Eine dahingehende Ausführungsform ist in Abb. 2 beispielsweise schematisch dargestellt, wobei sinngemäß die obigen Bezeichnungen gelten. Der Schwingkolben besitzt an beiden Enden Längsbohrungen 16, die in Querbohrungen 17 münden. In der gezeichneten Mittelstellung des Kolbens treffen diese Querbohrungen 17 auf Bohrungen oder Rillen 18 in den Zylinderwandungen, die durch eine Umführungsleitung 19 verbunden sind. In dieser Stellung sind also die Räume 1 und 10 unmittelbar verbunden und müssen zwangsläufig gleichen Druck haben, wodurch die Mittelstellung des Schwingkolbens eindeutig bestimmt ist. Verschiebt sich der Kolben etwas aus der Mittellage, so werden die Bohrungen überdeckt, die Verbindung von 1 und 10 also unterbrochen, und es wirken die mit zunehmender Amplitude wachsenden federnden Öldrucke.

Da die Schwingbewegung von der Gleichgewichtslage ihren Ausgang nimmt, muß auch die Steuerung und Kraftmessung der Maschine auf diese Mittellage zurückgeführt werden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Druck in der Umführungsleitung durch an sich bekannte Mittel konstant gleich dem Sollwert der Vorspannung gehalten wird. Hierzu wird die Umführungsleitung zweckmäßig an einen Druckspeicher beliebiger Art, beispielsweise einen Zylinder und Kolben mit Belastung durch Gewichte oder Federn, einen Preßluftspeicher, einen Speicher mit 'Druckbegrenzungsventil o. dgl., angeschlossen. In Abb. 2 ist beispielsweise ein Speicher 20 angenommen, dessen Kolben 21 mit Gewichten 22 belastet ist.

Um die an der Schwingmasse 15 auftretenden freien Massenkräfte auszugleichen können in an sich bekannter Weise die Schwingkolben 14 und Schwingmassen 15 paarweise und gegenläufig in gleicher Größe und gleichem Hub angeordnet werden. Die Abb. 3 zeigt schematisch ein Beispiel einer solchen Anordnung. Die beiden Kolben werden in bekannter Weise so erregt, daß sie sich in jeder Lage gegenläufig bewegen, wodurch die freien Massenkräfte im System vollkommen ausgeglichen werden.

An Stelle der hin und her gehenden Masse des Schwingers kann als Energieträger auch ^7S das Schwungmoment einer Drehmasse treten. Abb. 4 zeigt schematisch eine solche Ausführungsform. Der Schwingkolben 14 ist durch eine zweiteilig zu denkende Schubstange 23 an die Schwungscheibe 24 angelenkt, welche um den festen Drehpunkt 25 pendelnde Schwingbewegungen auszuführen vermag. Das Trägheitsmoment der Schwungscheibe ist in an sich bekannter Weise veränderlich. Über den Massenausgleich gilt sinngemäß das oben Gesagte. Als Erreger kann hier ein Drehschwinger, vielleicht ein Pendelmotor, Anwendung finden. Selbstverständlich können an Stelle der längs beweglichen Kolben 14 auch Drehkolben treten.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung können nur Kräfte eines Vorzeichens, also entweder Zug- oder Druckkräfte, ausgeübt werden. Kräfte wechselnden Vorzeichens, also Wechsel zwischen Zug und Druck oder i-Biegung o. dgl., werden in an sich bekannter Weise durch doppelt wirkende Ausgestaltung der Maschine bewirkt, wobei erfindungsgemäß zwei zwangsläufig miteinander verbundene, im Gegentakt arbeitende Schwingkolbensysteme vorgesehen sind, dergestalt, daß der Hingang des oder der Schwingkolben eine Drucksteigerung im Zugzylinder der Maschine erzwingt, während der Rückgang mit einer Drucksteigerung im Druckzylinder der Maschine verbunden ist.

Abb. 5 und 6 zeigen schematisch zwei mögliche Anordnungen. In Abb. 5 bedeuten 26 den Zugzylinder, 27 den Druckzylinder, deren Kolben 28 und 29 durch Gestänge 3, 4, 5 untereinander und mit dem oberen Spannkopf 6 verbunden sind und auf die Probe 8 wirken, die andererseits im festen Gegenspannkopf 7 festgehalten ist. Die Zylinderräume 26 und 27 sind durch einen Kanal 30 verbunden, in welchen in der oben beschriebenen Weise ein Schwingkolben 31 mit Schwingmasse 32 eingeschaltet ist. Als Elastizität des schwingungsfähigen Systems dienen wieder die Ölräume 26 und 27. Zur Abstimmung der Elastizität können den Zylinderräumen 26 und 27 nach Bedarf weitere elastische Ölräume 33 und 34

zugeschaltet werden. Für die Erregung, Vorspannung und Steuerung gilt sinngemäß das oben Gesagte.

In der Anordnung nach Abb. 6 gelten für die Teile 3,4, S, 6, 7, 8, 26, 27, 28 und 29 dieselben Bezeichnungen wie in Abb. 5. Abweichend hiervon ist jeder der Zyünderräume 26 und 27 mit einem Ölraum (Gegenelastizität) 35 bzw. 36 verbunden, wobei jeweils mindestens ein Schwingkolben 37 bzw. 38 mit Schwingmasse 39 Tdzw. 40 zwischengeschaltet ist. Die Kolben 37 und 38 sind durch, an sich bekannte Mittel, beispielsweise einen zweiarmigen Hebel 41, so miteinander verbunden, daß sich die den Zylindern 26 und 27 zugekehrten Seiten der Schwingkolben jeweils in gegenläufigem Sinne bewegen. Bei dieser Anordnung können in 35 und 36, folglich auch in 26 und 27, verschiedene Vorspannungen gewählt werden. Dadurch wird die Schwingungsmittellage nach der positiven oder negativen Seite verschoben, und die Beanspruchungsgrenzen auf Zug und Druck können verschieden hoch gewählt werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hydraulisch wirkende Prüfmaschine für hohe Wechselbelastungen und schnelle Lastwechsel mit einem schwingungsfähigen, in Resonanz arbeitenden System, gekennzeichnet durch Hohlräume mit eingeschlossener Flüssigkeit, deren elastische Volumänderung als elastisches Mittel des schwingungsfähigen Systems dient.

2. Prüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingungsfähige System im wesentlichen aus der Elastizität des im Arbeitszylinder eingeschlossenen Ölvolumens, einer durch eine weitere eingeschlossene Ölmenge gebildeten Gegenelastizität und einer zwischen beide geschalteten, hin und her gehenden oder drehenden Masse besteht.

3. Prüfmaschine nach Ansprüchen 1 und 2 mit mindestens einem schwingenden Doppelkolben, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung des Doppelkolbens, daß jeweils eine Kolbenseite auf den Ma- ■ sdiinenzylinder, die andere auf den Ölraum der Gegenelastizität wirkt.

4. Prüfmaschine nach Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen den Maschinenzylinder mit dem Ölraum der Gegenelastizität verbindenden Umführungskanal (19), der in der Mittelstellung des Schwingkolbens geöffnet ist und durch einen zwangsläufigen Druckausgleich in dieser Stellung die Schwingungsmittellage festlegt.

5. Prüfmaschine nach Ansprüchen 1 bis 4, bei welcher mit Vorspannung gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorspannung (Mittelspannung) durch Erzeugen und Konstanthalten eines entsprechenden statischen Flüssigkeitsdrukkes mit an sich bekannten Mitteln in dem die Schwingungsmittellage erzwingenden Verbindungskanal (19) aufgebracht wird.

6. Prüfmaschine nach Ansprüchen 1 bis 5 mit Doppelkolben zur Erzeugung von wechselnden ^- -Kräften, bei welchen je ein Arbeitszylinder für Zug- bzw. Druckwirkung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch zwei zwangsläufig miteinander verbundene, im Gegentakt arbeitende Schwingkolbensysteme, von denen das eine dem Arbeitszylinder für Zugkräfte und das andere dem Arbeitszylinder für Druckkräfte zugeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen