DE10058498C2

DE10058498C2 - Vorrichtung zur Bestimmung des Torsionsmoments und der Axialkraft in Torsionsversuchen an dünnen Fasern

Info

Publication number: DE10058498C2
Application number: DE10058498A
Authority: DE
Inventors: Theo Fett; Gerhard Thun
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: DE10058498A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Torsionsmoments und der Axialkraft in Torsionsversuchen an Fasern, bestehend aus einer Messfeder, bestehend aus einem rechteckigen Blechstreifen, welcher symmetrisch zur Mitte beidseitig jeweils um 90 DEG in gleiche Richtung verdrillt ist, wobei die Mitte des Blechstreifens parallel zu der zu prüfenden Faser und die beiden Enden des Blechstreifens senkrecht zu der zu prüfenden Faser ausgerichtet sind, der Blechstreifen mit beiden Enden jeweils auf einem Widerlager aufliegt und auf den ebenen Bereichen jeweils vor und hinter den beiden Verdrillungen symmetrisch zur Mitte mit Dehnungsmessstreifen versehen ist, einer oberen Einspannung für die Faser, welche parallel zur Mitte der Messfeder ausgerichtet in der Mitte der Messfeder steif fixiert ist, einer unteren Einspannung für die Faser, welche um die Faserachse drehbar gelagert und zum Aufbringen eines Drehmoments auf die Faser motorisch angetrieben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Tor sionsmoments und der Axialkraft in Torsionsversuchen an dünnen Fasern gemäss des ersten und des zweiten Patentanspruchs.

Torsionsversuche dienen zur Bestimmung von Torsionsverfesti gungskurven, aus denen sich Schubmodul, Torsionsstreckgrenze, Torsionsdehngrenzen und Torsionsfestigkeit eines Werkstoffes bestimmen lassen. Bei spröden Werkstoffen, worunter auch dünne Kohlenstoff- oder Glasfasern zählen, reduzieren sich die zu er mittelnden Kenngrößen auf die Torsionsfestigkeit und den Schub modul.

Bei Torsionsversuchen werden im Allgemeinen das Torsionsmoment sowie die durch das Torsionsmoment verursachte Drehwinkelände rung in der Probe gemessen. Proben wie beispielweise Gummi- oder Langfaserproben, welche während des Torsionsversuches große Drehwinkeländerungen, d. h. ein nachgiebiges Verhalten zeigen, neigen zudem zu einem Aufzwirbeln und damit zu größeren Längen änderungen der Probe während des Torsionsversuches. Deswegen werden bei derartigen Proben zusätzlich die Längenänderung und/ oder die Axialkraft der Probe gemessen.

Torsionsprüfvorrichtungen dienen zur Durchführung von Torsions versuchen. In einer einfachen Ausführung wird eine Probe, vor zugsweise eine unverjüngte Rundprobe, auf der einen Seite über einen Getriebemotor oder einen angesetzten Hebelmechanismus tor diert, während auf der anderen Seite der Probe das anliegende Drehmoment gemessen wird. Bei der Torsionsprüfung an Fasern wer den jedoch nur geringe Drehmomente erwartet. Meist werden für die Messung spezielle Aufnehmer verwendet, bei dem ein aufge brachtes Torsionsmoment gegen ein oder mehrere Federbleche mit linearer Federkennlinie wirkt, und die Nachgiebigkeit optisch über Ablenkung eines Lichtstrahles durch einen mitdrehenden Spiegel gemessen wird. Die Axialkraft ist durch einen derartigen Aufnehmer nicht messbar.

In der US 4 875 375 wird ein Extensometer zur Bestimmung des Torsionsmoments und der Axialkraft für die Werkstoffprüfung be schrieben.

Ferner zeigen die US 5 460 052 A sowie die JP 07333126 A Vor richtungen für Torsionsversuche an Fasern, mit zwei Einspannun gen, von denen die eine drehbar gelagert und zum Aufbringen ei nes Drehmoments auf die Faser motorisch angetrieben ist. Bei der Vorrichtung gemäß der US 5 460 052 A ist auch ein Torsionsmo mentmesser vorgesehen.

DE 18 28 549 U offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung des Torsionsmoments in Torsionsversuchen an länglichen Messproben aus harten Werkstoffen mit einer ersten Einspannung, an der die Messprobe fixiert ist, und mit einer zweiten Einspannung, welche um die Messprobenachse drehbar gelagert und zum Aufbringen eines Drehmoments auf die Messprobe motorisch angetrieben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur experimen tellen Bestimmung sowohl des Torsionsmoments als auch der Axi alkraft simultan in Torsionsversuchen an dünnen Fasern zu schaf fen.

Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 und 2 beschriebenen Vor richtungen gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Aus gestaltungen der Vorrichtungen an.

Durch die Verwendung von Messverfahren mit Dehnungsmessstreifen (DMS) wird insbesondere gegenüber optischen Messverfahren eine wesentlich verbesserte Unempfindlichkeit gegen ungewollte Stör einflüsse erzielt. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße Vor richtung ganz besonders für einen Einsatz in einem geschlossenen Regelkreis, wobei die über die DMS gemessenen Kräfte und Torsi onsbelastungen als Istwerte in die Antriebsregelung für die Be lastungsvorrichtung für die Faser einspeisbar, mit einer vorgegebenen Sollwertkurve vergleichbar und durch die ermittelte Ab weichung die Steuersignale für den Antrieb für die Faserbelas tung in der Vorrichtung korrigierbar ist. Dies ist eine wesent liche Vorraussetzung für die Durchführung Kraft- oder Dehnungs geregelter Ermüdungsversuche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand von Zeichnungen zweier Ausführungsformen erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und b die Vorrichtung der ersten Ausführungsform in An- und Draufsicht,

Fig. 2a und b die Vorrichtung der zweiten Ausführungsform in An- und Draufsicht,

Fig. 3a und b prinzipiell die Verformung der Vorrichtung sowie die Verschaltung der vier Dehnungsmessstreifen (DMS) in DMS- Vollbrückenschaltung für die Erfassung der Torsion,

Fig. 4a und b prinzipiell die Verformung der Vorrichtung sowie die Verschaltung der vier DMS in DMS-Vollbrückenschaltung für die Erfassung der Axialkraft, sowie

Fig. 5a und b prinzipiell die Verformung der Vorrichtung sowie die Verschaltung der zwei DMS gemeinsam mit zwei Festwiderstän den in DMS-Diagonalbrückenschaltung für die Erfassung der Axial kraft.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beider Ausführungsformen be steht, wie in den Fig. 1 und 2a und b dargestellt, aus einer obern und unteren Einspannung 1 bzw. 2 für eine vertikal ausge richteten Faser 3, wobei die untere Einspannung um ein konzen trisch um die Faserachse wirkendes Kugellager 4 drehbar gelagert ist und über eine Welle 5 zur Aufbringung eines Drehmomentes auf die Einzelfaser angetrieben ist. Die obere Einspannung ist dage gen ggf. unter Verwendung eines Adapters 7 mit der geometrischen Mitte 8 einer elastischen Messfeder 9 starr verbunden, welche sich mit den Endstücken auf feste Widerlager 10 aufstützt und dort in jede Richtung dreh- und kippbar fixiert ist.

Die zylindrische Faser 3 ist an beiden Enden in die oberen und der unteren Einspannung 1 bzw. 2 eingeklemmt oder bei sehr ge ringen Durchmessern eingeklebt. Im Falle einer Klebung ist die Einspannung eine Hülse mit Bohrung, in die die Faserenden mit dünnflüssigem Epoxidharz eingegossen werden und nach Aushärtung fixiert sind. Während des Aushärtevorgangs kann es durch Schrum pfung des Harzes zu axialen Verschiebungen und damit zu einer exzentrischen Einspannung kommen.

Die Messfeder 9 der ersten Ausführungsform besteht, wie in Fig. 1a und b dargestellt, aus einem rechteckigem Blechstreifen 11, welcher symmetrisch zur Mitte (8) beidseitig jeweils um 90° in gleiche Richtung verdrillt ist, wobei der mittlere Bereich 12 des Blechstreifens parallel und die beiden Enden 13 des Blech streifens senkrecht zu der zu prüfenden Faser ausgerichtet sind. Auf der ebenen Fläche des mittleren Bereichs 12 sind auf zwei Stellen jeweils auf beiden Seiten des Blechstreifens symmetrisch zu der geometrischen Mitte 8 insgesamt vier Dehnungsmessstreifen (DMS) 14 für die Torsionsmessung appliziert, welche parallel zu der Längsachse des Blechstreifens ausgerichtet und zu einer DMS- Vollbrückenschaltung gemäß Fig. 3a und b zur Messung der Tor sion in der zu prüfenden Faser verschaltet sind. Ferner sind auf den ebenen Bereichen nahe den beiden Enden 13 symmetrisch zu der Mitte 8 je ein weiterer DMS 15 für die Axialkraftmessung einsei tig auf den Blechstreifen appliziert, welche ebenfalls parallel zu der Längsachse des Blechstreifens ausgerichtet und gemeinsam mit zwei Festwiderständen 18 zu einer DMS-Diagonalbrückenschal tung gemäß Fig. 5a und b zur Messung der Axialkräfte in der zu prüfenden Faser verschaltet sind.

Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 2a und b der Vorrichtung unterscheidet sich in charakteristischer Weise von der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1a und b durch die Messfeder. Diese besteht nicht wie in der ersten Ausführungsform aus einem zwei fach verdrillten Blechstreifen, sondern setzt sich aus drei ebe nen, d. h. unverdrillten Blechstreifen, welche hintereinander angeordnet durch Zwischenstücke 16 im Winkel von 90° zum jeweils angrenzenden Blechstreifen miteinander verbunden sind, zusammen. Die Messfeder ist entsprechend der ersten Ausführungsform mit DMS für die Torsionsmessung 14 und für die Axialkraftmessung 15 versehen. Keine charakteristische Besonderheit der zweiten Aus führungsform, jedoch eine alternative Ausgestaltung für beide Ausführungsformen ist die in Fig. 2a dargestellte direkte Fi xierung der oberen Einspannung 1 an die Messfeder 9 ohne Adapter 7 sowie die Applizierung von zwei zusätzlichen DMS 17 für die Axialkraftmessung auf den den DMS zur Axialkraftmessung 15 ge genüberliegenden Seiten des Blechstreifen (vgl. Fig. 2a und 4 a). Die DMS 15 und 17 sind für die Messung der Axialkraft über eine DMS-Vollbrückenschaltung (vgl. Fig. 4a und b) miteinander verschaltet.

Das Material und/oder die Dicke des Bleches gibt die Nachgiebig keit und damit die Empfindlichkeit der Messfeder 9 vor. Hier zeigt sich der Vorteil der zweiten Ausführungsform, bei der es möglich wird, bei individueller Auswahl der drei Einzelbleche die Biege- und die Verwindungssteifigkeiten für die Torsions- und die Axialzugbelastung separat (durch Wahl der Blechdicken, der geometrischen Abmessungen und des Elastizitätsmoduls) ein zustellen.

Die Fig. 3 bis 5a geben prinzipiell die Verformungszustände der Messfeder 9 auf den Widerlagern 10 aufgrund einer in der Mitte angreifenden Kraft oder eines Drehmomentes in den mit den Pfeilen vorgegebenen Belastungsrichtungen 19 wieder. Die appli zierten DMS 14 bis 15, welche bei der Belastung durch die Blech biegung elongiert, dargestellt mit einem Plus-Zeichen, oder ge staucht, dargestellt mit einem Minus-Zeichen, werden, sind dabei zu den in den Fig. 3 bis 5b dargestellten DMS-Brückenschal tungen verschaltet. Die Fig. 3 und 4b zeigen dabei eine DMS- Vollbrückenschaltung, bei den alle vier Brückenarme mit aktiven DMS geschaltet sind, während bei der in Fig. 5b dargestellten DMS-Diagonalbrückenschaltung zwei der aktiven DMS durch Festwi derstände 18 ersetzt sind. Für eine bessere Zuordnung der appli zierten DMS 14 bis 16 gemäß den Fig. 3 bis 5a zu den Schalt plänen gemäß den Fig. 3 bis 5b sind diese Bezugszeichen mit einer zusätzlichen, in Klammer angegebenen Nummerierung verse hen. Zur Auslegung der DMS-Brückenschaltung, Weiterverarbeitung des Messsignals 20 sowie zu den angelegten Brückenspannungen 21 wird auf den allgemein bekannten Stand der Technik verwiesen.

Die beschriebene DMS-Anordnung für die Torsionsmessung gemäß Fig. 3a und b gestattet es, das Torsionsmoment unbeeinflusst von überlagerten (ungewollten) Biegeanteilen, wie sie bei nicht- fluchtenden Achsen des Antriebsmotors, der Probe und des Aufneh mers entstehen können, zu bestimmen. Durch Vertauschen der DMS 14(3) und 14(4) gemäß Fig. 3b bei sonst unveränderter Verschal tung der DMS 14 lässt sich die Störung auch quantifizieren.

Eine ggf. gewollte Überlagerung einer Axialzugbelastung zusätz lich zu einer Torsionsbeanspruchung lässt sich z. B. durch die Wahl eines in den Endbereichen dickeren Blattfederelements (erste Ausführungsform), durch dickere Einzelbleche für die End bereiche (zweite Ausführungsform) oder durch Verschiebung der Widerlager 10 parallel zur Faser (mehrere mm) von der unteren Einspannung 2 weg realisieren oder beeinflussen. Es können somit relativ einfach mehrachsige Spannungszustände durch Überlage rung von Torsion und Zug erzielt werden.

Der Antrieb für die Vorrichtung, als solcher in den Fig. 1 und 2a/b nicht dargestellt, ist schematisch als Pfeil 6 in Ro tationsrichtung angedeutet. Für diesen Zweck eignen sich vor zugsweise langsam drehende Elektrogetriebemotoren oder Servo antriebe.

Mit der beschriebenen Vorrichtung lässt sich so mit einem einfa chen und einfach zu fertigenden experimentellen Aufbau nicht nur in vorteilhafter Weise Torsion und Axialkraftverlauf simultan und voneinander ausgekoppelt verfolgen, sondern auch durch Aus tausch der Messfeder in sehr kurzer Zeit individuell auf be stimmte Fasereigenschaften einstellen.

Bezugszeichenliste

1

obere Einspannung

2

untere Einspannung

3

Faser

4

Kugellager

5

Welle

6

Pfeil

7

Adapter

8

Mitte

9

Messfeder

10

Widerlager

11

Blechstreifen

12

Mittlere Bereich

13

Ende

14

DMS für die Torsionsmessung

15

DMS für die Axialkraftmessung

16

Zwischenstück

17

Zusätzliche DMS

18

Festwiderstand

19

Belastungsrichtung

20

Messsignal

21

Brückenspannung

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Torsionsmoments und der Axial kraft in Torsionsversuchen an Fasern (3), bestehend aus

a) einer Messfeder(9), bestehend aus einem rechteckigem Blechstreifen, welcher symmetrisch zur Mitte (8) beidsei tig jeweils um 90° in gleiche Richtung verdrillt ist, wo bei die Mitte des Blechstreifens parallel zu der zu prü fenden Faser (3) und die beiden Enden (13) des Blechstrei fens senkrecht zu der zu prüfenden Faser (3) ausgerichtet sind, der Blechstreifen mit den beiden Enden (13) jeweils auf einem Widerlager (10) senkrecht zu der zu prüfenden Faser aufliegt, dort in jede Richtung dreh- und kippbar fixiert ist und auf den ebenen Bereichen jeweils vor und hinter der beiden Verdrillungen symmetrisch zur Mitte mit Dehnungsmessstreifen (DMS) versehen ist,
b) einer oberen Einspannung (1) für die Faser (3), welche parallel zur Mitte (8) der Messfeder (9) ausgerichtet in der Mitte der Messfeder steif fixiert ist,
c) einer unteren Einspannung (2) für die Faser (3), welche um die Faserachse drehbar gelagert und zum Aufbringen eines Drehmomentes auf die Faser motorisch angetrieben ist.

2. Vorrichtung zur Bestimmung des Torsionsmoments und der Axi alkraft in Torsionsversuchen an Fasern (3), bestehend aus

a) einer Messfeder (9) aus drei, um jeweils 90° zueinander hintereinander angeordneten unverdrillten Blechstreifen mit entsprechenden Zwischenstücken (16), wobei die Mess feder mit DMS (14, 15, 17) appliziert ist und mit diesen eine zur Mitte (8) der Messfeder gerichtete Symmetrie aufweist, wobei der Blechstreifen in der Mitte der Mess feder parallel zu der zu prüfenden Faser (3) und die Blechstreifen an den beiden Enden (13) der Messfeder senkrecht zu der zu prüfenden Faser (3) ausgerichtet sind, die Messfeder mit den beiden Enden (13) jeweils auf einem Widerlager (10) senkrecht zu der zu prüfenden Faser aufliegt, dort in jede Richtung dreh- und kippbar fixiert ist und auf den ebenen Bereichen jeweils vor und hinter der beiden Verdrillungen symmetrisch zur Mitte mit Deh nungsmessstreifen (DMS) versehen ist,
b) einer obere Einspannung (1) für die Faser (3), welche parallel zur Mitte (8) der Messfeder (9) ausgerichtet in der Mitte der Messfeder steif fixiert ist,
c) einer unteren Einspannung (2) für die Faser (3), welche um die Faserachse drehbar gelagert und zum Aufbringen ei nes Drehmomentes auf die Faser motorisch angetrieben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die DMS auf dem Blechstreifen (11) oder den Blechstrei fen der Messfeder (9) vorzugsweise parallel zu dessen Längs achse aufgebracht sind und somit die Längsdehnungsanteile des Blechstreifen messen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vier DMS (14), welche auf zwei Stellen jeweils beidseitig des Blechstreifens, welche sich nahe der Mitte (8) und sym metrisch zu dieser auf dem parallel zu der zu prüfenden Fa ser (3) ausgerichteten Blechstreifenabschnitt befinden, auf gebracht sind, zu einer DMS-Vollbrückenschaltung zur Messung der Torsion in der zu prüfenden Faser, sowie zwei oder vier weitere DMS (15, 17), welche an zwei Stellen jeweils einsei tig bzw. beidseitig auf dem Blechstreifen (11), welche nahe den Enden (13) auf dem senkrecht zu der zu prüfenden Faser (3) ausgerichteten Blechstreifenabschnitt befinden, aufge bracht sind, gemeinsam mit zwei Festwiderständen (18) zu ei ner DMS-Diagonalbrückenschaltung bzw. ohne Festwiderstände zu einer DMS-Vollbrückenschaltung zur Messung der Axialkräf te in der zu prüfenden Faser verschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der motorische Antrieb zum Aufbringen eines Drehmomentes auf die Faser (3) über einen geschlossenen Regelkreis angesteuert wird, wobei die über die vier DMS (14) gemessenen Torsionswerte der tordierten Faser als Ist wert in die Antriebsregelung eingespeist, mit einem vorgege benen Sollwertverlauf verglichen und der motorische Antrieb entsprechend geregelt wird.