MÜLLER, Jochen (Unterloostrasse 12, Oerlingen, CH-8461, CH)
SCHÖLLHORN, Karl (Sonnmattstrasse 132, Birr, CH-5242, CH)
WEDER, Mario (Kehlstrasse 38, Baden, CH-5400, CH)
GOSSWEILER, Christoph (Römertorstrasse 14, Winterthur, CH-8404, CH)
SCHADING, Georg (Erli 15, Ehrendingen, CH-5420, CH)
MÜLLER, Jochen (Unterloostrasse 12, Oerlingen, CH-8461, CH)
SCHÖLLHORN, Karl (Sonnmattstrasse 132, Birr, CH-5242, CH)
WEDER, Mario (Kehlstrasse 38, Baden, CH-5400, CH)
GOSSWEILER, Christoph (Römertorstrasse 14, Winterthur, CH-8404, CH)
Patentansprüche
1. Apparatur zur Durchführung von dynamischen Festigkeitsmessungen an einem Prüfling, bei der ein Schlagbolzen den Prüfling durchschlägt, umfassend einen in einer Richtung (8) nachgiebig gelagerten Massekörper (1) mit einer öffnung (2), eine Haltevorrichtung (4) zum Anbringen eines Prüflings (5) an die öffnung (2) am Massekörper (1), einen Schlagbolzen (6) und einen Antrieb (7), wobei der Antrieb (7) den Schlagbolzen (6) auf eine vorgegebene Geschwindigkeit in Richtung (8) des Prüflings (5) vor der öffnung (2) beschleunigen kann, gekennzeichnet durch mindestens einen am Massekörper (1) angebrachten Beschleunigungssensor (9), der während einer Festigkeitsmessung die Beschleunigung des Massekörpers (1) mindestens in Richtung (8) des beschleunigten Schlagbolzens (6) messen kann.
2. Apparatur gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere 3 oder 4 Beschleunigungssensoren (9) am Massekörper (1) angebracht sind.
3. Apparatur gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (9) in zwei oder in drei Richtungen messen können.
4. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Beschleunigung auf den Schlagbolzen (6), verursacht durch den Antrieb (7), variabel einstellbar ist.
5. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (7) die Beschleunigung mittels Federkraft, Pneumatik, Hydraulik, einer Explosion oder durch Fallenlassen aus einer gewünschten Fallshöhe erzeugen kann.
6. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagbolzen (6) ein Schlagprofil (11) einer Halbkugel, eines Kegels oder eines Halbellipsoi- des aufweist.
7. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (12) zur Messung der Geschwindigkeit des Schlagbolzens (6) während der Durchschlagsphase.
8. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (13) zur Messung der Restenergie des Schlagbolzens (6) nach der Durchschlagsphase.
9. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die öffnung (2) im Massekörper (1) durchgehend ist.
10. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die öffnung (2) zentral im Massekörper (1) angeordnet ist.
11. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch ein Auffangsystem (14) für den Schlagbolzen
(6) .
12. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anlage (15) zum Temperieren des Prüflings auf eine gewünschte Temperatur.
13. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Massekörpers (1) zwischen 10 und 1000, vorzugsweise zwischen 40 und 200 mal höher ist als die Masse des Schlagbolzens (6) .
14. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagbolzen auf eine Geschwindigkeit von zwischen 10 und 50m/s beschleunigt wird.
15. Verfahren zum Messen von Festigkeitswerten eines Prüflings 5, wobei ein Schlagbolzen 6 auf eine vorgegebene Geschwindigkeit in Richtung 8 des Prüflings 5, der an einem Massekörper 1 vor einer öffnung 2 angebracht ist, derart beschleunigt wird, dass der Prüfling 5 vom Schlagbolzen 6 durchdrungen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Durchdringen des Schlagbolzens 6 die Beschleunigung am Massekörper 1 mindestens an einem Punkt und mindestens in Richtung 8 des beschleunigten Schlagbolzens 6 gemessen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung an mehreren, insbesondere an 3 oder 4
Orten am Massekörper gemessen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung in zwei oder in drei Richtungen gemessen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Schlagbolzens 6 während des Durchdringens des Prüflings 5 direkt oder indirekt gemessen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Restenergie des Schlagbolzens 6 nach dem Durchdringen des Prüflings 5 direkt oder indirekt gemessen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfling 5 vor dem Durchschlagen auf eine gewünschte Temperatur gebracht wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagbolzen 6 durch den Antrieb 7 auf eine Geschwindigkeit von 10 und 50 m/s beschleunigt wird. |
APPARATUR ZUR DURCHFüHRUNG VON DYNAMISCHEN FESTIGKEITSMESSUNGEN UND VERFAHREN ZUM MESSEN VON FESTIGKEITSWERTEN
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur Durchführung von dy- namischen Festigkeitsmessungen an einem Prüfling sowie das Verfahren zum Messen von Festigkeitswerten gemäss den Obergriffen der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Im Hinblick auf aufkommende Leichtbauweise in Fahrzeugen, an- gewandt beispielsweise bei Verschalungen von Fahrzeugen, werden vermehrt Faserverbundstoffe eingesetzt, die mindestens dieselben Fähigkeiten haben sollen wie herkömmliche Materialien, namentlich Bleche. Diese Fähigkeiten umfassen vor allem die Aufnahme von Energie bei einem Unfall. Ermittelt werden diese Werte bei sehr teuren und zeitraubenden Crashtests.
Um die Anzahl der Crashtests zu reduzieren, werden vermehrt Finite Elemente Rechnungen durchgeführt, welche ebenfalls Informationen über das Crashverhalten liefern sollen. Diese Simulationen benötigen genaue Materialdaten betreffend die Fes- tigkeit der verwendeten Materialien als Eingangsparameter.
Festigkeitsmessungen an Prüflingen werden vorwiegend statisch durchgeführt, indem beispielsweise die Biegefestigkeit gemessen wird. Dazu wird die Kraft gemessen, die erforderlich ist, um einen Streifen eines zu prüfenden Materials zu brechen, in- dem die Kraft auf ein freies Ende eines solchen PrüfStreifens bis zum Bruch kontinuierlich erhöht wird.
Diese Methode basiert auf statischen Messungen und kann keine Auskunft über die Durchschlagswiderstandskraft und die Ener- gieaugnahme von Prüflingen bei einem Bruch geben. Daher können die Resultate keine Eingangsparameter für Simulationen von Crashtests liefern.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Apparatur zur Durchführung von dynamischen Festigkeitsmessungen an einem Prüfling anzugeben, die Aussagen über den zeitlichen Verlauf der Kraftabsorption während einer Zerstörung des Prüfling ermöglicht, sowie ein Verfahren anzugeben, durch das die gewünschten Werte gemessen werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen der unabhängigen Patentansprüche .
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass ein Schlagbolzen einen Prüfling durchschlägt, der an einem Massekörper vor einer öffnung angebracht ist, wobei während dem Durchstossen die Beschleunigung am Massekörper gemessenen wird. Diese Messdaten ermöglichen Rückschlüsse auf den zeitli- chen Verlauf der Durchstosskraft und somit auf die Materialeigenschaften des Prüflings.
Die für eine solche Messung erfindungsgemässe Apparatur um- fasst einen in einer Richtung nachgiebig gelagerten Massekörper mit einer öffnung sowie eine Haltevorrichtung zum Anbrin- gen eines Prüflings an die öffnung am Massekörpers. Zudem um- fasst sie einen Schlagbolzen und einen Antrieb, wobei der Antrieb den Schlagbolzen auf eine vorgegebene Geschwindigkeit in Richtung des Prüflings vor der öffnung beschleunigen kann. Bei einer Festigkeitsmessung durchbricht der Schlagbolzen den
Prüfling. Am Massekörper ist mindestens ein Beschleunigungssensor angebracht, der während einer Festigkeitsmessung die Beschleunigung des Massekörpers mindestens in Richtung des beschleunigten Schlagbolzens messen kann.
Nach dem Durchdringen des Prüflings dringt der Schlagbolzen durch die öffnung im Massekörper und wird schliesslich aufgefangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnung nä- her erklärt. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt einer erfin- dungsgemässen Anlage.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Fig. 1 beschreibt ein Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemässen Anlage und ist nicht einschränkend zu werten. Sie zeigt einen Massekörper 1, mit elastischen Lagern 3 befestigt. Die Lagerung kann, wie in Fig. 1 dargestellt, eine elastische Aufhängung sein. Der Massekörper 1 kann sich auch auf elastischen Lagern auf dem Untergrund abstützen. Er kann auch an Seilen oder ähnlichen Stützmitteln aufgehängt sein, wobei die Belastungsrichtung senkrecht dazu läuft. Eine Anordnung mit dem Massekörper ohne Lagerung, beispielsweise im freien Fall, ist eine weitere Möglichkeit.
Der Massekörper 1 weist eine öffnung 2 auf, an der eine Halte- Vorrichtung 4 zum befestigen eines Prüflings 5 angebracht werden kann. Die öffnung 2 ist vorzugsweise zentral im Massekörper 1 angeordnet und kann durchgehend sein oder als Sackloch enden.
Vorgelagert der öffnung 2 des Massekörpers 1 ist ein Antrieb 7 angeordnet, der einen Schlagbolzen 6 auf ' eine vorgegebene Geschwindigkeit in Richtung 8 des Prüflings 5 beschleunigen kann. Wichtig ist, dass der Massekörper 1 in der Richtung 8 nachgiebig oder elastisch gelagert ist, in welcher der Schlagbolzen beschleunigt wird. Die Beschleunigungsrichtung 8 ist mit einem Pfeil angegeben. Diese vorgegebene Geschwindigkeit des Schlagbolzens 6 soll vorzugsweise variabel einstellbar sein. Der Antrieb 7 kann die Beschleunigung insbesondere, aber nicht ausschliesslich, mittels Federkraft, Pneumatik, Hydraulik, einer Explosion oder durch Fallenlassen aus einer gewünschten Fallhöhe erzeugen, um nur einige von vielen geeigneten Möglichkeiten aufzuzählen.
Der Schlagbolzen 6 kann eine beliebige Form haben, beispiels- weise kann er kugelförmig sein. Bevorzugt ist aber die Verwendung eines Schlagbolzens 6 mit einem Führungsbereich 10 und einem Schlagprofil 11. Das Schlagprofil 11 kann insbesondere die Form einer Halbkugel, eines Kegels, eines Zylinders oder eines Halbellipsoides aufweisen. Der Führungsbereich 10 dient der Führung des Schlagbolzens 6 während der Beschleunigung durch den Antrieb 7. Sein Durchmesser sollte kleiner oder gleich dem Durchmesser des Schlagprofils 11 sein.
Erfindungsgemäss ist am Massekörper 1 mindestens ein Beschleunigungssensor 9 angebracht, der während einer Festigkeitsmes- sung die Beschleunigung des Massekörpers 1 mindestens in Richtung 8 des beschleunigten Schlagbolzens 6 messen kann. Vorzugsweise sind mehrere, insbesondere drei oder vier Beschleunigungssensoren 9 am Massekörper 1 angebracht. Die Auswertung dieser Beschleunigungssensoren erlaubt, die dreidimensionalen Kraft- und Momentenvektoren, die während dem Durchdringen des Schlagbolzens 6 auf den Prüfling 5 wirken, als Zeitfunktion zu ermitteln. Vorzugsweise werden einige Komponenten der Kraft-
und Momentenvektoren auf Null gesetzt und zudem mehr Sensoren als notwendig eingesetzt. Dadurch ergibt sich ein mathematisch überbestimmtes System, welches sich mit der „kleinste Fehlerquadratesumme" lösen lässt, was zur teilweisen Eliminierung der Störeinflüsse führt. Zudem können Beschleunigungssensoren 9 verwendet werden, die nicht nur in die Schlagrichtung 8 messen, sondern auch in ein oder zwei andere Richtungen. Dadurch kann der Kraftvektor noch genauer ermittelt werden.
Da der Schlagbolzen 6 durch die öffnung 2 in den Massekörper eindringt, muss diese öffnung gross genug sein, sodass der Schlagbolzen 6 nirgends aufschlägt, solange Messdaten ermittelt werden. Vorzugsweise ist die öffnung 2 durchgehend, sodass der Schlagbolzen 6 wieder aus dem Massekörper 1 austreten kann. In diesem Fall ist bevorzugt ein Auffangsystem 14 hinter dem austretenden Ende der öffnung 2 vorgesehen. Dieses Auffangsystem 14 kann eine Mulde sein mit einer zähflüssigen Masse oder einem Granulat, sodass der Schlagbolzen 6 aufgefangen werden kann, ohne beschädigt zu werden.
Um temperaturabhängige Aussagen über die Materialeigenschaften des Prüflings 5 zu erhalten, kann eine Anlage 15 zum Temperieren des Bereichs des Prüflings 5 angeordnet sein. Diese Anlage kann entweder nur den Raum um den Prüfling 5 umfassen, den Prüfling 5 mit dem Massekörper 1, oder die gesamte Anlage umfassend den Antrieb 7 mit dem Schlagbolzen 6.
Der Massekörper 1 soll so schwer sein, dass der Impuls des Schlagbolzens 6 eine messbare Beschleunigung am Massekörpers 1 verursacht, ohne diesen zu stark zu bewegen. Je nach Geschwindigkeit hat sich, für Prüflinge 5 von beispielsweise etwa 5 bis 10 cm wirksamem Durchmesser, ein Massenverhältnis zwischen dem Massekörper 1 und dem Schlagbolzen 6 von 10:1 bis 1000:1, vorzugsweise von 40:1 zu 200:1 als brauchbar erwiesen. Bei ei-
nem Gewicht von 500-800 Kg des Massekörpers 1 und 1 - 20 kg des Schlagbolzens β sollte dieser auf eine Geschwindigkeit von etwa 10 - 50m/s beschleunigt werden. Je nach Festigkeit des Materials, das zu prüfen ist, können auch andere Verhältnisse gewählt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen können Mittel 12 zur Messung der Geschwindigkeit des Schlagbolzens 6 während der Durchschlagsphase angeordnet sein. Diese zeitabhängige Geschwindigkeit liefert weitere Angaben über die Festigkeit des Prüflings 5. Diese Mittel können beispielsweise eine Hochgeschwindigkeitskamera sein, welche den Schlagbolzen 6 zu verschiedenen Zeiten während des Durchschlags fotografiert. Mittels eines Strichcodes am Führungsbereich kann dann eindeutig auf die jeweilige Position des Schlagbolzens 6 zum Zeitpunkt jeder Auf- nähme und somit auf die Geschwindigkeit beim Durchtreten geschlossen werden.
Weiter können Mittel 13 zur Messung der Restenergie des Schlagbolzens 6 nach dem Durchdringen durch den Prüfling 5 angeordnet sein. Diese Restenergie kann auf verschiedene Arten ermittelt werden. Diese Mittel 13 können beispielsweise zwei Lichtschranken in einem definierten Abstand umfassen, wobei der zeitliche Abstand des Passierens der Schranken auf die Geschwindigkeit des Schlagbolzens 6 schliessen lässt. Andererseits kann die Restenergie ermittelt werden, indem beispiels- weise das Auffangsystem 14 auf einem Kraftsensor abgestützt ist, sodass die Kraft beim Aufprall des Schlagbolzens im Auffangsystem 14 gemessen werden kann.
Die ermittelten Daten werden zu einem nicht dargestellten Auswertegerät übertragen und ausgewertet. Die Daten umfassen in erster Linie die Beschleunigungen am Massekörper während des Durchdringens des Schlagbolzens 6 durch den Prüfling 5.
Bezugszeichenliste
1 Massekörper
2 öffnung
3 Elastische Lager 4 Haltevorrichtung
5 Prüfling
6 Schlagbolzen
7 Antrieb
8 Richtung (Schlagrichtung) 9 Beschleunigungssensor
10 Führungsbereich
11 Schlagprofil
12 Mittel zur Messung der Geschwindigkeit
13 Mittel zur Messung der Restenergie 14 Auffangsystem
15 Anlage zum Temperieren
Next Patent: METHOD OF ASSEMBLING STRIPS OF WOOD