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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Zur Prüfung einer Faser (11) wird die Faser zwischen zwei Einspannvorrichtungen (22, 43) axial gestaucht, so dass sie ausknickt. Die Einspannvorrichtungen passen sich an die gebogene Faserform an, so dass an den Einspannstellen keine wesentlichen Knickungen erfolgen. Die höchste Belastung ergibt sich im mittleren Bereich der Faserlänge. Dadurch wird bei der Rotation der Faser (11) um ihre Achse eine Verfälschung der Biegebelastung durch die Einspannvorrichtungen vermieden.
    公开号:DE102004021133A1
    申请号:DE200410021133
    申请日:2004-04-29
    公开日:2005-11-24
    发明作者:Joachim Dr.-Ing. Hausmann；Christoph Dr.-Ing. Leyens；Hartmut Schumann
    申请人:Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt eV；
    IPC主号:G01N3-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung vonFasern, wobei eine Faser im gebogenen Zustand an einem Ende gedrehtwird.
    [0002] ZurQualitätssicherungund Charakterisierung von Fasern werden unter anderem mechanischePrüfverfahreneingesetzt. Dies sind in der Regel Zugversuche, bei denen einzelneFasern oder Faserbündelin einer Prüfmaschineeiner Zugbelastung ausgesetzt werden. Dieser Versuch liefert abernur die Zugfestigkeit als Kennwert und gibt keine Aussage bezüglich derFestigkeit unter schwingender Belastung.
    [0003] In „FiberFatigue Caused by Repeated Longitudinal Compression", Yamashita et al.,International Conference on Composite Materials ICCM13, Peking,Juni 2001, ist ein Verfahren beschrieben, das die Ermüdungsfestigkeitvon Fasern oder Faserbündelnermittelt. Hierbei werden Fasern schraubenförmig auf einen Kunststoffzylindergeklebt, der einer Verdrehung ausgesetzt wird. Die Fasern können soallen Kombinationen von Zug- undDrucklasten ausgesetzt werden. Auch hierbei erweist sich die Probenherstelltungals aufwendig, die Ergebnisse werden durch den als Hilfsvorrichtungbenutzten Kunststoffzylinder verfälscht.
    [0004] In „Modellierungund Optimierung faserverstärkterTitanlegierungen" vonJoachim M. Hausmann, Tenea Verlag für Medien, Berlin 2003, Seiten74, 75 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit vonFasern beschrieben, bei der die Faser an beiden Enden in eine Einspannvorrichtungeingespannt wird. Die eine Einspannvorrichtung wird mit einem Motorgedreht. Eine zweite Einspannvorrichtung, deren Ausrichtung gegenüber derjenigender ersten Einspannvorrichtung verstellbar ist, nimmt das andereFaserende auf. Die Faser wird in gebogenem Zustand um ihre Achsegedreht, wobei ein Zählerdie Zahl der Umdrehungen ermittelt.
    [0005] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtungzur Prüfungvon Fasern anzugeben, wobei der Einfluss der Einspannungen der Faserendenauf das Messergebnis eliminiert wird.
    [0006] Daserfindungsgemäße Verfahrenweist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf und die erfindungsgemäße Vorrichtungdie Merkmale des Patentanspruchs 6.
    [0007] Erfindungsgemäß wird aufeine einzelne Faser eine Drucklast aufgebracht, die zu einem definierten Ausknickender Faser führt.Die ausgeknickte Faser wird um ihre nun gebogene Mittelachse rotiert.Das Auskenken der Faser durch eine Drucklast hat zum Vorteil, dassim Bereich der Faserenden keine Biegespannungen auftreten und inder Mitte der Faserlängedas Spannungsmaximum vorliegt. Hierdurch wird die Gefahr eines Versagensder Faser im Bereich der Enden minimiert und die Problematik derLasteinbringung wird vereinfacht. Würde die Faser durch Zwangsausrichtungder an den Enden angreifenden Einspannvorrichtungen gebogen, sowürdensich an den Faserenden starke Biegebeanspruchungen ergeben, dieeinen vorzeitigen Bruch der Faser an den Faserenden zur Folge haben.Ein derartiger Versuch ist daher nicht imstande, die tatsächlicheBelastbarkeit der Faser zu ermitteln, weil diese durch den Einflussder Einspannvorrichtungen auf die Faserenden verfälscht wird.Erfindungsgemäß werdenBiegespannungskonzentrationen von den Endbereichen der Faser ferngehalten,so dass die maximale Biegespannung im Abstand von den Faserendenund den Einspannvorrichtungen auftritt.
    [0008] Gemäß einerbevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dieFaser an beiden Enden an Drucklagern abgestützt wird, von denen mindestenseines um eine senkrecht zur Faser verlaufende Achse schwenkbar undunter der Kraft der ausgeknickten Faser frei einstellbar ist. DieFaser wird hierbei durch eine Relativbewegung der Drucklager zumAusknicken gebracht. Die Drucklager sind dabei so gehalten, dass siesich den Ausrichtungen der Faserenden anpassen können, so dass wesentliche Biegebeanspruchungen vonden Faserenden ferngehalten werden.
    [0009] Für einigeAnwendungen kann die Prüfungder Fasern bei unterschiedlichen Temperaturen erforderlich sein.Hierzu kann die zu prüfendeFaser sich in einem Hohlraum befinden, der mit einem heißen oderkalten Gas durchströmtwird. Insbesondere bei hohen Temperaturen ist ein Schutzgas, z.B. Argon, besonders geeignet.
    [0010] DieErfindung betrifft ferner ein Prüfverfahrenfür Fasern,bei dem der Faserbruch dadurch festgestellt wird, dass die Anzahlender Umdrehungen an beiden Enden der Faser gemessen werden und einFaserbruch festgestellt wird, wenn die gemessenen Werte voneinanderabweichen. Dies ist eine sehr einfach durchzuführende Methode, um einen Faserbruchsicher feststellen zu können.
    [0011] UnterFasern werden zylindrische Körperverstanden, die vorzugsweise einen Durchmesser von 4 bis 500 μm und eineLänge vonmindestens dem 20-fachen des Durchmessers haben. Die Fasern bestehenaus einem oder mehreren Werkstoffen, insbesondere Glas, Kohlenstoff,Keramik, Kunststoff oder Metall. Fasern können zur Übertragung von Kräften undzur Verstärkunganderer Werkstoffe eingesetzt werden. Weiterhin werden sie zur Übertragungvon Energie und Signalen aus Licht oder Elektrizität eingesetzt.
    [0012] Imfolgenden werden Ausführungsbeispieleder Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
    [0013] Eszeigen:
    [0014] 1 eineDraufsicht auf eine Vorrichtung zur Prüfung von Fasern im Anfangszustand,
    [0015] 2 eineSeitenansicht der Vorrichtung von 1 aus Richtungdes Pfeiles II,
    [0016] 3 eineDraufsicht der Vorrichtung währendder Prüfungeiner Faser,
    [0017] 4 eineDraufsicht der Vorrichtung, wobei die Faser in eine Knickung 2.Ordnung gebracht ist,
    [0018] 5 eineschematische Darstellung des Knickens 1. Ordnung, und
    [0019] 6 eineschematische Darstellung des Knickens zweiter Ordnung.
    [0020] Diein den 1–4 dargestellteVorrichtung zur Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit einer Faser weisteine erste Verschiebeeinheit 10 für das eine Ende der Faser 11 auf.Die Verschiebeeinheit 10 weist einen Schlitten 12 auf,der entlang einer Führungsbahn 13 linearverschiebbar ist. Die Führungsbahn 13 weistzwei parallele Führungsschienen 14, 15 auf,die durch Querjoche 16, 17 starr verbunden sind.An den Querjochen 16, 17 sind die Enden einerSchraubenspindel 18 gelagert. Das Gewinde der Schraubenspindel 18 istmit einem Innengewinde des Schlittens 12 in Eingriff, sodass durch Drehen der Schraubenspindel 18 der Schlitten 12 entlangder Führungsbahnen 13 ineine gewünschteStellung bewegt werden kann.
    [0021] Aufdem Schlitten 12 ist ein Motor 20 befestigt, andessen Welle 21 eine Einspannvorrichtung 22 für das eineEnde der Faser 11 angebracht ist. Die Einspannvorrichtung 22 trägt an ihrerUmfangsflächeeine Markierung 23. Ein an dem Schlitten 12 befestigterImpulsgeber 24 erzeugt bei jedem Passieren der Markierung 23 einenelektrischen Impuls, der ausgewertet wird, die Umdrehungen der Welle 21 zuzählenbzw. um die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute zu ermitteln.
    [0022] Rechtwinkligzu der ersten Verschiebeeinheit 10 ist eine zweite Verschiebeeinheit 30 miteiner Führungsbahn 33 angeordnet,die parallele Führungsschienen 34, 35 aufweist,welche durch zwei Querjoche 36, 37 verbunden sind.In den Querjochen sind die Enden einer Schraubenspindel 38 gelagert,welche parallel zu den Führungsschienen 34, 35 verläuft.
    [0023] Aufden Führungsschienen 34, 35 istein Schlitten 40 linear verschiebbar geführt. DieserSchlitten weist ein Innengewinde auf, das in Eingriff mit dem Außengewindeder Schraubenspindel 38 steht. Durch manuelles Drehen derSchraubenspindel 38 kann der Schlitten 40 längs derFührungsschienen 34, 35 bewegt werden.
    [0024] Aufdem Schlitten 40 ist ein Träger 41 derart angebracht,dass der Trägerum eine vertikale Achse 45, die rechtwinklig zur Längsachseder Führungsbahnen 33 verläuft, schwenkbarist. Der Träger 41 istfrei beweglich gelagert, so dass er sich um die Achse 45 ohne äußeren Zwangfrei einstellen kann. Auf dem Träger 41 istein aufragendes Drucklager 42 angebracht, welches ein horizontalesDrehlager fürdie zweite Einspannvorrichtung 43 enthält. In diesem Drehlager istdie Einspannvorrichtung 43 frei um eine horizontale Achsedrehbar. Die Einspannvorrichtung 43 trägt an ihrem Umfang eine Markierung 44,auf die ein am Träger 41 befestigter Impulsgeber 46 reagiert,um ähnlichwie der Impulsgeber 24 elektrische Signale zu erzeugen,deren Anzahl der Anzahl der Umdrehungen entspricht.
    [0025] Beider Benutzung der Prüfvorrichtungwerden die Einspannvorrichtungen 22 und 43 inden in 1 dargestellten Einbauzustand gebracht, in welchemihre Achsen entlang einer geraden Linie zueinander ausgerichtetsind. Die Achse der Einspannvorrichtung 43 verläuft parallelzur Achse der zugehörigenFührungsbahn 33.Die Achse der Einspannvorrichtung 22 verläuft – in Draufsicht – rechtwinkligzu der Achse der zugehörigenFührungsbahn 13.Die Einspannvorrichtungen werden gemäß 1 und 2 entlangeiner geraden Linie ausgerichtet und an ihnen werden die Enden derFaser 11 befestigt, derart, dass die Faser 11 sichim gestreckten (spannungslosen) Zustand befindet. Dann wird durchBetätigender Schraubenspindel 38 der Schlitten 40 vorwärts bewegt,wobei die Faser 11 axial gedrückt, d. h. gestaucht, wird.Die Faser versucht darauf hin seitlich auszuweichen. Dies geschiehtdurch Schwenken des Trägers41 um die Achse 45. Der Träger 41 stellt sichalso unter der Kraft der Faser 11 frei ein. Dies hat zurFolge, dass die Faser sich unter Bildung eines sinusförmigen Verlaufsdeformieren kann. Hierbei verlaufen die Faserenden axial zu den Einspannvorrichtungen,ohne an den Einspannvorrichtungen geknickt zu werden.
    [0026] DieVerschiebeeinheit 10, auf der der Motor 20 befestigtist, ermöglichteinen translatorischen Ausgleich von Biegemomenten der Faser 11 imBereich der Einspannvorrichtung 22.
    [0027] Die Überwachungder Rotation der Faser 11 wird durch die berührungslosenImpulsgeber 24 und 46 ermöglicht, die die Markierungen 23 und 44 aufden Einspannvorrichtungen 22 und 43 erfassen.Der Impulsgeber 24 ist mit einer Frequenzanzeige 50 verbunden(3), um die Drehfrequenz zu erfassen. Der Impulsgeber 46 istmit einem Zähler 51 verbunden,mit dem die Gesamtzahl der Umdrehungen erfasst wird. Beide Impulsgeber 24 und 46 sindmit einer Gleichlaufüberwachung 52 verbunden,die im Falle fehlender Koinzidenz zwischen den gelieferten Impulszahleneinen Faserbruch feststellt. In diesem Fall wird ein Signal zumStoppen an die Motorsteuerung 53 gesandt.
    [0028] ZurPrüfungvon Fasern bei einer von der Umgebungstemperatur abweichenden Temperaturist eine Temperiereinheit 55 vorgesehen. Diese bestehtaus einem Rohrstück 56,durch das die Faser quer hindurchgeführt wird, so dass sie im Bereichder maximalen Biegung von dem das Rohr durchströmenden Gasstrom orthogonalangeströmtwird. Das Gas kann Luft oder ein Schutzgas, z. B. Argon, sein. Eskann durch eine Heizvorrichtung oder Kühlvorrichtung temperiert werden.Durch Versuche mit verschiedenen Gasen, z. B. Sauerstoff, Luft undArgon, kann auch der Einfluss der Oxidation auf die Faserfestigkeituntersucht werden.
    [0029] In 3 istder Zustand dargestellt, dass die Faser 11 einer Knickung 1.Ordnung durch Verschieben des Schlittens 40 ausgesetztwird. Hierbei wird der eine Schlitten 12 quer zur ursprünglichenFaserausrichtung verschoben, so dass die Faser einen einzigen Bogenbildet, wie dies in 3 dargestellt ist.
    [0030] 4 zeigteinen Zustand, der Knickung 2. Ordnung. Hierbei nimmt dieFaser 11 einen S-förmigen Zustandan. Der Träger 41 wird.gegen Drehung um die Achse 45 fixiert, so dass die Einspannvorrichtung 43 ihreaxiale Ausrichtung parallel zu der Führungsbahn 33 beibehält. Hierbeisind die Einspannvorrichtungen 22 und 43 parallelzueinander ausgerichtet, jedoch in Querrichtung versetzt. Die Faser 11 nimmtzwei gegenläufigeBiegungen an, wobei sich jede dieser Biegungen im Abstand von derjeweiligen Einspannvorrichtung 22, 43 befindet.
    [0031] 5 zeigteine Prinzipdarstellung des Knickens 1. Ordnung bei einerFaser 11, die mit ihren Enden an Widerlagern 60, 61 abgestützt ist.Die Wiederlager werden aufeinander zu bewegt, wodurch die Faser 11 seitlichausbiegt und einen Knick 63 bildet. Die Biegelinie derausgeknickten Faser entspricht einer Sinusfunktion. Von Interesseist der kleinste Biegeradius Rmin, der sichauf der Mitte der Faserlängeeinstellt. Dieser lässt sichaus dem Kehrwert der 2. Ableitung der Biegelinie ermitteln. DasDehnungsmaximum εmax in der Faser kann durch
    [0032] rf ist der Radius der Einzelfaser und Rmin der minimale Biegeradius gemäß 5.
    [0033] Hiernachwerden weitere Fasern mit einer geringeren Belastung als der zuvorermittelten quasistatischen Festigkeit, d. h. größerem Biegeradius in die Vorrichtungaufgenommen, so dass diese zunächstnicht brechen. Die Fasern werden dann so lange einer Rotation ausgesetztbis diese brechen. Dadurch lässtsich die Lebensdauer in Abhängigkeitder Belastung bestimmen.
    [0034] 6 zeigtden Verlauf der Faser 11 bei einer Knickung 2.Ordnung, bei der sich zwei generell sinusförmige Biegungen 64, 65 ergeben.Erfindungsgemäß sind dieEinspannvorrichtungen 22, 43 in Richtung der jeweiligenFaserenden eingestellt bzw. orientiert, so dass die zwischen denWiderlagern hervorgerufene Stauchung keine wesentliche Biegung oderKnickung an den Faserenden hervorruft.
    [0035] Ineinem Versuchsbeispiel folgte die Ermittlung der Ermüdungsfestigkeiteiner SiC-Faser mit einem Durchmesser von 142 μm. Diese weist im quasistatischenZugversuch eine Bruchdehnung εmax von ca. 1% auf. Diese Dehnung wird nachGleichung 1 bei einem Biegeradius von 7,1 mm erreicht. Dadurch,dass das erfindungsgemäße Verfahrendes Ausknickens der Faser die Dehnung sehr lokal auftritt, können vondem keramischen Material der Faser höhere Dehnungen ertragen werden.Daher wird in einem Vorversuch zunächst die quasistatische Bruchdehnungmit der beschriebenen Vorrichtung bestimmt.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Verfahren zur Prüfung von Fasern, bei welchemeine Faser (11) in gebogenem Zustand an einem Ende gedrehtwird, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (11)dadurch in den gebogenen Zustand versetzt wird, dass sie einer Drucklastausgesetzt wird und dabei ausknickt.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Faser (11) an einem Ende mit einem Drucklager(5) abgestütztwird, das um eine senkrecht zur Faser verlaufende Achse 45 schwenkbarund unter der Kraft der ausknickenden Faser frei einstellbar ist.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet,dass die Prüfungunter veränderbarenTemperaturen der Faser erfolgt.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,dass die Faser mit einer Atmosphäreaus zugeführtemGas umgeben wird.
    [5] Verfahren zur Prüfungvon Fasern, bei welchem eine Faser (11) in gebogenem Zustandan einem Ende gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahlender Umdrehungen an beiden Enden der Faser (11) gemessenwerden und ein Faserbruch festgestellt wird, wenn die gemessenenWerte voneinander abweichen.
    [6] Vorrichtung zur Prüfung von Fasern, mit Einspannvorrichtungen(22, 43) zum Einspannen der Faserenden, wobeieine Einspannvorrichtung (22) von einem Motor (20)angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspannvorrichtung(43) entlang einer ersten Führungsbahn (33) inRichtung auf die andere Einspannvorrichtung (22) bewegbarist und dass die andere Einspannvorrichtung (22) entlangeiner zweiten Führungsbahn(13), die rechtwinklig zu der ersten Führungsbahn (33) verläuft, bewegbarist.
    [7] Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass die eine Einspannvorrichtung (43) auf einem entlangder ersten Führungsbahn(33) verschiebbaren Schlitten (40) um eine Achse(45) frei schwenkbar angebracht ist.
    [8] Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Schlitten (40) einen um die Achse (45) schwenkbarenHalter (41) trägt,der ein Drucklager (42) zum Abstützen der Einspannvorrichtung(43) aufweist.
    [9] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Einspannvorrichtungen (22, 43) mit Markierungen(23, 44) versehen sind, auf die ein Impulsgeber(24, 46) anspricht.
    [10] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass zwischen den Einspannvorrichtungen (22, 43)eine Temperiereinheit (55) und/oder Gas- Zuführvorrichtungzum Anblasen der Faser (11) vorgesehen ist.
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