WO2006055994A1 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung der materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegter proben - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur untersuchung der materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegter proben Download PDF

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02—Measuring coefficient of friction between materials

Definitions

  • the present invention relates to the field of tribological test machines (e.g., tribometers). With these machines friction partners (samples) with a predefined normal force are pressed against one another under different conditions and the tangential forces resulting from impressed relative movements, the so-called friction forces, are measured.
  • the present invention relates to a method for applying this normal force to the friction partners or educa ⁇ body.
  • friction partners are pressed together and moved relative to each other.
  • the friction partners can have different shapes. It may directly be the material compositions of the friction partners, the surface texture and / or additionally introduced substances (oils, fats, granules, powders, etc.) be the subject of the investigation.
  • substances oils, fats, granules, powders, etc.
  • the sliding properties of certain surface coatings or Maschinenstoff ⁇ pairings the influence of special deposits in porous materials or the influence of the lubricating effect of fats, pastes, lubricating oils or dispersions on abrasion, component service life, reliability, etc.
  • a friction partner whose holder or guide is pressed or pulled against the second friction partner mechanically supported or coupled in the test apparatus is pulled over one or more levers, springs or rods.
  • the normal force is achieved by means of adjustable mechanisms, such as spiral springs and associated adjustment device (eg DD 126 542 A, EP 0 959 340 A2, US Pat. No. 6,094,967 A), parallel spring elements (eg DE 199 15 288 A1), rolling element support (eg FR 2 660 756 A1 ) exchangeable deformation body or loading lever with deflection roller and static weight or replacement of the static Weight by means of electromagnetic device (eg WO 03/060487 Al) vor ⁇ defined.
  • the desired tangential force is determined by direct force measuring methods (eg force sensor in a support) or indirect force measuring methods (eg path or strain measurement).
  • the material properties are determined on the basis of the measured tangential forces.
  • the quality of such a testing machine therefore essentially depends on whether the frictional force profile measured during a relative movement corresponds to the actual frictional force profile characterizing the two friction partners.
  • the invention relates to a method for introducing the normal force on educakör ⁇ by or friction partners.
  • the introduction of the normal force is decoupled from the sample movement either mechanically completely without contact via one or more magnetic fields or with the aid of at least one gas or fluid flow, at least one test specimen, its holder or the sample guide.
  • the magnetic field can be generated both by means of an electromagnet, a permanent magnet or their combination as a hybrid design.
  • the invention relates to a device for carrying out the method.
  • Fig. 1 shows schematically a device according to the invention in a side view.
  • 1 shows an embodiment of this method with the aid of a magnetic coupling of the normal force. It consists of two electromagnets 7a, 8a which generate the desired normal force in a contactless manner via predefinable coil currents and introduce them onto the movable sample guides 5, 6. This non-contact introduction of the normal force ensures that there is no reaction with regard to natural vibrations due to the normal force introduction. In addition, it is possible, by means of an adapted length of the ferromagnetic parts (anchor) integrated in the sample guides 5, 6, to realize even large strokes 17 at a constant normal force.
  • a desired force can be achieved by providing a specific coil current with an electromagnet.
  • a control of coil currents can be designed as a force and / or path control.
  • the actual size of the normal force is measured directly with a normal force measuring device 4 as a supporting force of the sample holder 3b and / or indirectly as supporting forces of the electromagnets 7a; 8a with normal force measuring devices 7b; 8b measured.
  • the normal force desired for the examination can be statically, after a certain time course or within the stroke also variable, synchronized with the movement or stochastically specified.
  • a supporting force for example in accordance with FIG. 1, the radial bearing force of the tangential drive
  • the function can also be fulfilled by the contactless introduction of the normal force at only one position (a lifting magnet).
  • two or more solenoids in one line, in one plane (triangle, rectangle or arbitrary shape) or in any desired space in space by achieving higher normal forces or optimizing the non-contact introduction of normal force.
  • a contactless storage eg 9 and / or 10, magne ⁇ table with electric, permanent or hybrid magnets or air bearings
  • This storage and the introduction of the normal force can also be performed in the form of one or more biaxial magnetic bearings.
  • the sample guide 5 is coupled via a coupling interface 13 to the tangential drive 14.
  • this coupling interface 13 is designed to be as flexible as possible.
  • the coupling interface is designed with a higher bending strength, so that the required supporting force is guaranteed.
  • the support 15 or 16 can be embodied as a magnetic bearing (electric, permanent and / or hybrid magnets) as an air or fluid bearing.
  • These additional supports can erfin ⁇ tion be alternatively realized with magnetic bearings.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegter Proben (1a, 3a), auf die eine Normalkraft aufgebracht wird. Eine erhöhte Messgenauigkeit kann dadurch erreicht werden, dass die Normalkraft berührungslos über mindestens ein Magnetfeld oder mindestens einen Gas- oder Fluidstrom auf einen Probenkörper (1a, 3a), dessen Halterung (1b, 3b) oder eine Probenführung (5, 6) eingebracht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der Materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegter Proben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der tribologischen Testma¬ schinen (z.B. Tribometer). Mit diesen Maschinen werden unter verschiedenen Be¬ dingungen Reibpartner (Proben) mit einer vordefinierten Normalkraft aneinander gedrückt und die bei eingeprägten Relativbewegungen entstehenden Tangential¬ kräfte, die sogenannten Reibkräfte, gemessen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung dieser Normalkraft auf die Reibpartner bzw. Prüf¬ körper.
STAND DER TECHNIK
Für die Untersuchungen des Materialverhaltens, z.B. Reib-, Verschleiß- oder Gleitverhaltens, werden Reibpartner aneinander gedrückt und relativ zueinander verschoben. Die Reibpartner können dabei unterschiedlichste Formen aufweisen. Es können dabei direkt die Materialzusammensetzungen der Reibpartner, die Oberflächenbeschaffenheit und/oder zusätzlich eingebrachte Stoffe (Öle, Fette, Granulate, Pulver, etc.) Gegenstand der Untersuchung sein. Beispielsweise die Gleiteigenschaften von bestimmten Oberflächenbeschichtungen oder Werkstoff¬ paarungen, der Einfluss von speziellen Einlagerungen in porösen Materialien oder der Einfluss der Schmierwirkung von Fetten, Pasten, Schmierölen oder Dispersio¬ nen auf Abrieb, Bauteil-Funktionsdauer, Funktionszuverlässigkeit, etc.
Das Aneinanderdrücken wird durch sogenannte Normalkräfte (Kräfte, die senk¬ recht auf die Reibflächen wirken) erreicht. Deren Einbringung auf die Probenkör¬ per und die Vorgabe der Größe dieser Normalkraft, sie ist ein wichtiger Parame¬ ter bei diesen Untersuchungen, wird durch verschiedene mechanische Ausfüh¬ rungen realisiert. Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass die Einbringung der Normalkraft zur Probe-, zur Probenhalterung oder -führung mit mechani¬ schen Bauteilen berührungsbehaftet erfolgt.
Beispielsweise wird über einen oder mehrere Hebel, Federn oder Stäbe ein Reib¬ partner, dessen Halterung oder Führung gegen den zweiten, mechanisch in der Versuchapparatur abgestützten oder angekoppelten Reibpartner gedrückt oder gezogen. Die Normalkraft wird durch einstellbare Mechanismen, wie Spiralfedern samt zugehöriger Verstelleinrichtung (z.B. DD 126 542 A, EP 0 959 340 A2, US 6,094,967 A), Parallelfederelemente (z.B. DE 199 15 288 Al), Wälzkörperab- stützung (z.B. FR 2 660 756 Al) auswechselbare Verformungskörper oder Be¬ lastungshebel mit Umlenkrolle und statischem Gewicht oder Ersatz des statischen Gewichts mittels elektromagnetischer Vorrichtung (z.B. WO 03/060487 Al) vor¬ definiert. Die gesuchte Tangentialkraft (Reibkraft) wird über direkte Kraftmess¬ methoden (z.B. Kraftsensor in einer Abstützung) oder indirekte Kraftmessmetho¬ den (z.B. Weg- oder Dehnungsmessung) ermittelt. Anhand der gemessenen Tan¬ gentialkräfte werden die Materialeigenschaften bestimmt.
Eine weitere bekannte Lösung ist in der JP 09-089693 A offenbart.
Die Qualität einer solchen Prüfmaschine hängt daher im Wesentlichen davon ab, ob der bei einer Relativbewegung gemessene Reibkraftverlauf dem tatsächlichen, die beiden Reibpartner charakterisierenden Reibkraftverlauf entspricht.
Analysen solcher berührungsbehafteten Mechanismen zeigen, dass mit steigen¬ den Geschwindigkeiten der Relativbewegungen (Hübe) und/oder größeren Hüben die Messergebnisse durch deren Eigenschwingungen verfälscht werden. Sowohl die Reibkraft als auch die Richtungsumkehr der Relativbewegung nach dem je¬ weiligen Messhub stellen breitbandige Erregungen für den berührungsbehafteten Krafteinbringungsmechanismus dar, so dass ihre Eigenschwingungsformen ange¬ regt werden. Einerseits kann dadurch nicht sichergestellt werden, dass die Nor¬ malkraft während der Relativbewegung, speziell bei der Hubumkehr, den vorge¬ gebenen Wert beibehält. Andererseits werden durch die Schwingungen des be¬ rührungsbehafteten Normalkrafteinbringungsmechanismus auch andere Bau¬ gruppen, beispielsweise die Reibkraftmesseinrichtung oder die zweite Proben- halterung, zu Schwingungen angeregt. Dies führt zu einer Superponierung der tatsächlichen Reibkräfte mit ungewünschten Störkräften. Im Extremfall kann so¬ gar die gewünschte Relativbewegung zwischen den Reibpartnern unzulässig be- einflusst werden. Bei versuchstechnisch interessanten Parametern, wie größeren Hüben, höheren Prüffrequenzen und kleineren Normalkräften kann dies nicht nur zu einer starken Verfälschung des Reibkraftverlaufs, sondern zu einem komplet¬ ten Verlust des zu erwartenden qualitativen Reibkraftverlaufs führen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbringung der Normalkraft auf Prüfkör¬ per oder Reibpartner. Erfindungsgemäß erfolgt die Einbringung der Normalkraft entkoppelt von der Probenbewegung entweder mechanisch vollkommen berüh¬ rungslos über ein oder mehrere Magnetfelder oder mit Hilfe mindestens eines Gas- oder Fluidstroms, auf mindestens einen Prüfkörper, dessen Halterung oder der Probenführung. Im Fall der magnetischen Einkopplung kann das Magnetfeld sowohl mit Hilfe eines Elektromagneten, eines Permanentmagneten oder deren Kombination als Hybridausführung erzeugt werden.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Fig. 1 zeigt schematische eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer seitlichen Ansicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSVARIANTEN
Fig. 1 zeigt eine Ausfϋhrungsvariante dieses Verfahrens mit Hilfe einer magne¬ tischen Einkopplung der Normalkraft. Sie besteht aus zwei Elektromagneten 7a, 8a, die berührungslos über vorgebbare Spulenströme die gewünschte Normal¬ kraft generieren und auf die beweglichen Probenführungen 5, 6 einbringen. Durch diese berührungsfreie Einbringung der Normalkraft ist gewährleistet, dass keinerlei Rückwirkung hinsichtlich von Eigenschwingungen durch die Normal¬ krafteinbringung entsteht. Zusätzlich ist es möglich, durch eine angepasste Länge der in den Probenführungen 5, 6 integrierten ferromagnetischen Teile (An¬ ker), auch große Hübe 17 bei konstanter Normalkraft zu realisieren.
Grundsätzlich kann mit einem Elektromagnet eine gewünschte Kraft durch Vor¬ gabe eines bestimmten Spulenstromes erreicht werden. Zur Vermeidung von Einflüssen auf die erforderliche Normalkraft, beispielsweise aus Konstruktionsto¬ leranzen, die im Betrieb einen hubabhängigen Luftspalt bewirken oder Einflüsse von Temperaturänderungen auf charakteristische Kenndaten (Spulenwiderstand, relative Permeabilität, etc.), erfolgt eine Regelung von Spulenströme. Diese Re¬ gelung kann dabei als Kraft- und/oder Wegregelung ausgeführt sein. Im Falle der Kraftregelung wird die Istgröße der Normalkraft direkt mit einer Normalkraft- messeinrichtung 4 als Abstützkraft der Probenhalterung 3b und/oder indirekt als Abstützkräfte der Elektromagnete 7a; 8a mit Normalkraftmesseinrichtungen 7b; 8b gemessen.
Durch Vorgabe eines Sollwertes für die Normalkraft, kann die für die Untersu¬ chung gewünschten Normalkraft statisch, nach einem bestimmten zeitlichen Verlauf oder innerhalb des Hubes auch variabel, mit der Bewegung synchronisiert oder stochastisch, vorgegeben werden. Grundsätzlich kann unter Ausnutzung einer Abstützkraft (beispielsweise nach Fig. 1, die radiale Lagerkraft des Tangen- tialantriebes) die Funktion auch durch die berührungslose Einbringung der Nor¬ malkraft an nur einer Position (ein Hubmagnet) erfüllt werden. Es können aber auch durch Erzielung höherer Normalkräfte oder Optimierung der berührungs¬ losen Normalkrafteinbringung zwei oder mehrere Hubmagnete in einer Linie, in einer Ebene (Dreieck, Rechteck oder beliebigen Form) oder beliebig im Raum an¬ geordnet werden.
Für die Führung der Probenhalterung Ib senkrecht zur Normalkraft und senk¬ recht zur tangentialen Bewegungseinrichtung 17 kann an einer Position oder an - A - mehreren Positionen eine berührungslose Lagerung (z.B. 9 und/oder 10, magne¬ tisch mit Elektro-, Permanent- oder Hybridmagneten oder über Luftlager) vorge¬ sehen sein. Diese Lagerung und die Einbringung der Normalkraft kann auch in Form von einem oder mehreren zweiachsigen Magnetlagern ausgeführt sein.
Die Probenführung 5 wird über ein Koppelinterface 13 an den Tangentialantrieb 14 angekoppelt. Bei einer Ausführungsvariante nach Fig. 1 ist dieses Koppelin¬ terface 13 möglichst biegeweich ausgeführt. Bei einer Ausführungsvariante mit Ausnützung der Abstützkraft am Tangentialantrieb 14 ist das Koppelinterface mit höherer Biegefestigkeit ausgeführt, so dass die erforderliche Abstützkraft ge¬ währleistet ist.
Durch zusätzliche Abstützungen 15 und/oder 16 der Probenführungen 5 und/oder 6 oder in einer alternativen Ausführung der beweglichen Probe Ia oder deren Halterung Ib kann die Gewichtskraft eliminiert werden, so dass auch kleinste Normalkräfte vorgebbar sind. Die Abstützung 15 bzw. 16 kann als magnetische Lagerung (Elektro-, Permanent und/oder Hybridmagnete) als Luft- oder Fluidla- gerung ausgeführt sein. Auch diese zusätzlichen Abstützungen können erfin¬ dungsgemäß alternativ mit Magnetlager realisiert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
Ia bewegter Probenkörper
Ib bewegte Probenhalterung
2 Reibfläche zwischen den zu untersuchenden Materialien (Proben)
3a feststehender Probenkörper
3b feststehende Probenhalterung
4 Normalkraft- und/oder Tangentialkraftmesseinrichtung
5, 6 Probenführung mit ferromagnetischem Anker
7a, 8a Elektromagnet
7b, 8b Normalkraftmesseinrichtung
9, 10 Lagerung der Probenführung senkrecht zur Hubbewegung und zur Nor¬ malkraft
11, 12 Positionsmesseinrichtung
13 Koppelinterface
14 Tangentialantrieb
15, 16 Abstützung
17 Hub, Hubrichtung

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Untersuchung der Materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegter Proben (Ia, 3a), auf die eine Normalkraft aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Normalkraft berüh¬ rungslos über mindestens ein Magnetfeld oder mindestens einen Gas- oder Fluidstrom auf einen Probenkörper (Ia, 3a), dessen Halterung (Ib, 3b) oder eine Probenführung (5, 6) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Probenkörper (3a) oder dessen Halterung (3b) wirkende Normalkraft durch eine Kraftmesseinrichtung (4) und/oder durch die Kraftmesseinrichtungen (7b, 8b), basierend auf einer direkten oder indirekten Kraftmessmethode, gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Reibung in der Reibfläche (2) hervorgerufene Tangentialkraft auf den Probenkörper (3a) oder dessen Halterung (3b) durch eine Kraftmess¬ einrichtung (4), basierend auf einer direkten oder indirekten Kraftmessme¬ thode, gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer Regelung der Normalkraft basierend auf einer Normalkraftmes¬ sung oder einer Positionsmessung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstanter Sollwert für die Normalkraft vorgebbar ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwertvorgabe für die Normalkraft ein mit dem Hub (17) syn¬ chronisierter oder stochastischer Verlauf vorgebbar ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Normalkrafteinbringung elektromagnetisch, permanentmagnetisch oder in Kombination beider Effekte erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine berührungslose Lagerung des Koppelinterfaces (13) oder der Pro¬ benführung senkrecht zur Wirkung der Normalkraft und der tangentialen Bewegungsrichtung vorgesehen ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegen die Gewichtskraft wirkende Abstützung des beweglichen Probenkörpers (Ia), dessen Halterung (Ib) oder mindestens einer Proben¬ führung vorgesehen ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld, bzw. der Gas- oder Fluidstrom auf den oberen Pro¬ benkörper (Ia), dessen Halterung (Ib) oder dessen Probenführung (5, 6) eingebracht wird.
11. Vorrichtung zur Untersuchung der Materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegter Proben auf die eine Normalkraft aufge¬ bracht wird, mit zwei entlang einer Reibfläche (2) gegeneinander durch ei¬ nen Tangentialantrieb (14) verschiebbaren Probenkörpern (Ia, 3a) und mit einer Einrichtung zum Aufrichten bzw. Einstellen einer Normalkraft, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Aufbringen bzw. Ein¬ stellen einer Normalkraft als Magnetlagerung (9, 10) oder als Fluidlagerung ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Mag¬ netlagerungen (9, 10) vorgesehen sind, die seitlich neben einem Proben¬ körper (Ia) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ma¬ gnetlagerungen gleichzeitig als Axialführung und als Einrichtung zur Auf¬ bringung der Normalkraft ausgebildet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Einrichtung zum Aufbringen bzw. Einstellen einer Normalkraft einen Permanentmagnet aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Einrichtung zum Aufbringen bzw. Einstellen einer Normalkraft einen Elektromagnet aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Einrichtung zum Aufbringen, bzw. Einstellen der Normalkraft dazu ausgebildet ist, auf den oberen Probenkörper (Ia) einzuwirken.
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