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Title:
PROCESS AND DEVICE FOR EXAMINING THE MATERIAL PROPERTIES OF AT LEAST ONE OF TWO SAMPLES MOVED RELATIVE TO ONE ANOTHER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/055994
Kind Code:
A1
Abstract:
A process is disclosed for examining the material properties of at least one of two samples (1a, 3a) moved relative to one another and to which a perpendicular force is applied. Enhanced measurement precision can be achieved in that the perpendicular force is contactlessly applied by at least one magnetic field or at least one gas or fluid stream to a sample element (1a, 3a), its holder (1b, 3b) or its guide system (5, 6).

Inventors:
Wassermann, Johann (Scheffelstrasse 11/1/1, WIEN, A-1210, AT)
Application Number:
PCT/AT2005/000464
Publication Date:
June 01, 2006
Filing Date:
November 17, 2005
Export Citation:
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Assignee:
Wassermann, Johann (Scheffelstrasse 11/1/1, WIEN, A-1210, AT)
International Classes:
G01N19/02; G01N3/56
Attorney, Agent or Firm:
Babeluk, Michael (Mariahilfer Gürtel 39/17, WIEN, A-1150, AT)
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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.
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