Neuere Dauerversuchsmaschinen. Von Georg Wazau. Neuere Dauerversuchsmaschinen. Die Kenntnis der Gesetze, die die Festigkeit der Baustoffe bei schwingender Beanspruchung beherrschen, ist für den Ingenieur von ausserordentlicher Bedeutung; denn mit gleichbleibenden Kräften hat er nur in den seltensten Fällen zu tun. Das Beständige ist auch hier der Wechsel. Das Kräftespiel ist aber nicht auf die Maschinen beschränkt, deren Bewegung in augenfälliger Weise Massenkräfte auslöst, oder die Widerstände wechselnder Grösse zu überwinden haben, sondern schwingende Beanspruchungen erheblicher Grösse werden selbst bei Konstruktionen auftreten können, die gegen eine Störung ihrer Ruhe nicht empfindlich erscheinen. Man betrachte eine Eisenbahnbrücke unter dem Einfluss der Stosswirkung der Räder, einen grossen Ozeandampfer, der durch leichten Wellenschlag oder den periodischen Wechsel der Maschinenkräfte in starke Schwingungen versetzt wird, an die Eisenbahnschiene, über die auf manchen Strecken an einem Tage Tausende von Rädern rollen. Wohl wird der Ingenieur fast immer die Mittel zur Hand haben, Ausnahmezustände der Beanspruchung, wie sie z.B. bei der Resonanz von Schwingungen auftreten, zu vermeiden; doch wo die Konstruktion Belastungswechseln unterliegt, muss er in besonders sicherer Schätzung der Verhältnisse Vorkehrung dafür treffen, dass die Spannungen eine gewisse Grenze nicht überschreiten. Die Frage nach dem Einfluss wechselnder Belastung auf die Materialeigenschaften ist alt und mehrfach untersucht, doch der Fortschritt in der Entwicklung der Technik stellt neue Varianten auf. Einerseits will man an Material, d.h. an Bau- oder an Anschaffungskosten sparen, anderseits arbeitet man mit erheblich höheren Geschwindigkeiten. Wöhler war der erste, der die Erscheinungen der wechselnden Belastung in planmässiger Weise untersuchte. So fruchtbar nun der Gedanke war und so sehr seine Ergebnisse zum weiteren Ausbau anspornten, ein nennenswerter Fortschritt ist seit Wöhler nicht zu verzeichnen gewesen. Es blieb bei der Anwendung der Maschinen, wie Wöhler sie zuerst baute, und damit war man an die ursprüngliche Wechselgeschwindigkeit von 50–60 Kraft-Wechseln i. d. Minute gebunden. Es ist charakteristisch, dass der Gedanke von einem Deutschen ausging, dass aber das Verdienst der Fortführung der Idee ins Grosse, der Erlangung umfangreicher, wichtiger Ergebnisse und des praktischen Verwertens derselben dem Auslande anheim zu fallen scheint. Im Inlande verdient meines Wissens nur eine grössere Anlage Beachtung, die im Laufe der nächsten Zeit im Kgl. Material-Prüfungsamt in Gross-Lichterfelde-W. zur Aufstellung gelangt und der Untersuchung der Materialien auf Zug und Druck bei verschiedenen Wärmegraden dienen soll.Das Königliche Materialprüfungsamt der Technischen Hochschule Berlin. Denkschrift von A. Martens und M. Guth (siehe auch D. p. J. 1904. 319, S. 471 u. ff. In den folgenden Zeilen soll nun die Besprechung einiger neuerer Typen von Dauer-Versuchsmaschinen und die Erläuterung der Hauptgesichtspunkte bei ihrem Entwurf und bei der Ausführung der Versuche den breitesten Raum einnehmen, während die damit erzielten Versuchsergebnisse nur ganz allgemein gekennzeichnet werden. Es wäre verfrüht, die – wenigstens im Vergleich zu der grossen Zahl der zu lösenden Fragen – wenigen Versuche bindend zur Aufstellung neuer Sätze zu benutzen. Die weise Beschränkung, die sich J. H. Smith, der die erste der zu besprechenden Veröffentlichungen schrieb, in bezug auf die Bewertung seiner Ergebnisse auferlegte, dient vielleicht am meisten der weiteren Ausgestaltung dieses Prüfungsgebietes. Die ersten drei der zu besprechenden Maschinen gleichen sich in dem Punkt, dass sie die Beschleunigungs- bezw. Verzögerungskräfte hin- und hergehender Massen benutzen, um gleichförmig verteilte Normalspannungen (Zug- und Druckspannungen) von wechselnder Grösse und mit veränderlicher Wechselgeschwindigkeit in dem Probestück, das als Rundstab ausgebildet ist, hervorzurufen. Der Antrieb erfolgt durch ein Kurbelgetriebe, wobei das Probestück etwa die Rolle der Kolbenstange einer Dampfmaschine übernimmt, die in Leerlauf sich befindet: die Trägheitskräfte der Kolbenmasse üben im Verlauf des Kolbenspieles abwechselnd Druck- und Zugkräfte aus. Die Anwendung dieser einfachen mechanischen Verhältnisse auf das vorliegende Gebiet bot jedoch einige Schwierigkeiten. Um rechnerisch die wirklich auftretenden Beanspruchungen der Probe mit Schärfe ermitteln zu können, ist ein Antrieb erforderlich von möglichst vollkommener Gleichförmigkeit und empfindlicher Regulierbarkeit; denn die Forderung gleicher Umfangsgeschwindigkeit innerhalb einer Kurbelumdrehung und innerhalb des ganzen Versuches ist der Kernpunkt für die Untersuchung. Darum ist auch zur Vermeidung von störenden Schwingungen des Antriebsystems eine vollkommene Ausgleichung der Kräfte, die an der Hauptrolle angreifen, erforderlich, und die Bedingung des Gleichbleibens der lebendigen Kraft, der rotierenden und hin- und hergehenden Massen durch geeignete Ausführungsformen zu verwirklichen. Eine störende Erscheinung, die sich bei den Ergebnissen sehr unangenehm bemerkbar machen kann, und die auszuschliessen nicht immer gelingt, muss hier noch kurz angedeutet werden. Der Probestab empfängt eine erzwungene Schwingung durch den Antrieb. Daneben können sich infolge geringer Exzentrizität der Schwingmassen und geringfügigen Eckens aufeinander gleitender Teile noch zwei andere Schwingungsarten unerwünscht ausbilden: Biegungsschwingungen und drehende Schwingungen des Probestückes um seine Längsachse. Liegt nun die Periode dieser drei erzwungenen Schwingungen in Resonanz mit einer der zugehörigen freien Schwingungen, so vergrössert sich der Schwingungsausschlag und damit auch die Beanspruchung des Probestückes, gegebenenfalls bis zur Zerstörung. Jede Gesetzmässigkeit der Ergebnisse hört dann auf. Welche Schwingungen gefährlich werden und welche Mittel man dagegen anwendet, werden wir bei der Besprechung der Versuchsergebnisse sehen. Textabbildung Bd. 320, S. 482 Fig. 1. Textabbildung Bd. 320, S. 482 Fig. 2. Textabbildung Bd. 320, S. 482 Fig. 3. Textabbildung Bd. 320, S. 482 Fig. 4. Textabbildung Bd. 320, S. 482 Fig. 5. Dass auf sorgfältige Oelung und, wenn nötig, auf Kühlung Rücksicht zu nehmen ist, bedarf keiner besonderen Ausführung. I. Die Maschine von Reynolds-Smith. Von dem trefflichen englischen Forscher Osborne ReynoldsPhilosophical Trans. London 1902, S. 265. ging die Anregung zum Bau der ersten Maschine dieser Art aus; er gab die leitenden Gedanken für die Gesamtanordnung der Prüfungsmaschine und für die Art der Versuchsausführung an und überliess die Ausarbeitung der Einzelheiten der Konstruktion und die Durchführung der Versuche J. H. Smith, jetzigem Vorstand des Maschinenlaboratoriums des städtischen Technikums in Belfast. In der Reynolds-Smithschen Maschine, die in der schematischen Darstellung (Fig. 1) und in den Skizzen (Fig. 2–5) wiedergegeben ist, wird das senkrecht angeordnete Versuchsstück a durch einen Kurbelantrieb b von einer wagerechten, mit Schnurscheibe versehenen Welle auf- und abwärts bewegt. Es empfängt hierbei eine von den an ihm hängenden Massen m, den geometrischen Verhältnissen und der Umlaufsgeschwindigkeit der Welle abhängige, zwischen zwei Grenzwerten wechselnde Beanspruchung Wählt man das Verhältnis zwischen dem Kurbelradius r und der Schubstangenlänge l klein (im vorliegenden Fall für den senkrechten Trieb \left\frac{r}{l}=\frac{1}{24}\right), dann wird man unter Anwendung der allgemein bekannten Sätze für den Kurbelmechanismus mit grosser Annäherung die Zugbeanspruchung, die im unteren Totpunkt ihren grössten Wert annimmt, errechnen können zu: \sigma_1=\frac{Q\cdot r\cdot \omega^2}{g\cdot f}\,\left(1+\frac{r}{l}\right)+\frac{Q}{f} kg/qcm und die grösste Druckbeanspruchung im oberen Totpunkt zu: \sigma_2=\frac{Q\cdot r\cdot \omega^2}{g\cdot f}\,\left(1-\frac{r}{l}\right)-\frac{Q}{f} Dabei bedeutet: Q das Gewicht der angehängten Massen m in kg, r den Kurbelradius in m, ω die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle, l die Schubstangenlänge in m, g Erdbeschleunigung in m/Sek.2, f den Querschnitt des Stabes in qcm. Textabbildung Bd. 320, S. 483 Fig. 6. Die Forderung konstanter lebendiger Kraft führte zur Anordnung eines ganz ähnlichen hin- und hergehenden Systems in wagerechter Richtung; die Masse m1 = m wird durch denselben Kurbelantrieb (mit einem Verhältnis \left\frac{r}{l}=\frac{1}{18}\right) hin- und herbewegt. Um auch die Massen der Triebwerksteile usw. für beide Systeme gleich zu erhalten, bedurfte es noch der genauen Auswägung, deren einfache Art in Fig. 6 dargestellt ist. Für beide Belastungsfälle muss der Druck auf den Kurbelzapfen gleich sein. Nun ist für lange Schubstangen die Geschwindigkeit des Kreuzkopfes angenähert u = ω . r sin φ (φ von der inneren – unteren – Totlage ausgerechnet), so dass also, wenn die Massen, die in wagerechter Richtung hin- und hergehen, gleich denen in senkrechter Richtung sind, die kinetische Energie des von der Kurbel angetriebenen Systems ist: L = m . ω2 . r2 {sin2φ + sin2 (90 + φ)}                                                       = m ω2 r2 = konst. Die Lösung der Frage ist zweifellos einfach, nur bedingt sie lange Schubstangen oder sehr kleine Hübe und fährt viel totes Gewicht ein. Die Massendrücke der in wagerechter und senkrechter Richtung arbeitenden Massen setzen sich nun bei sehr kleinen \frac{r}{l} derart zusammen, dass die Resultierende in jedem Augenblick in Richtung des Kurbelarmes in konstanter Grösse nach aussen gerichtet ist. Sie ist also eine „Fliehkraft“, die sich leicht durch ein entsprechendes, diametral zum Kurbelarm aufgekeiltes Gegengewicht, das in der durch die beiden Kurbelmechanismen gebildeten Ebene liegt, ausgleichen lässt. Konstruktiv war das nicht angängig. Das Gewicht D (Fig. 4 und 5) musste seitlich versetzt werden. Hierdurch wurde die Anwendung noch eines zweiten kleinen Gegengewichtes d notwendig, das nahe am hinteren Lager in der Richtung des Kurbelzapfens befestigt wurde. (Wir haben es hier mit einem ähnlichen Fall zu tun, wie beim Ausgleich der Stangenmassen usw. bei Lokomotivrädern). Durch diese beiden Gegengewichte wurde der vollkommene Massenausgleich der unbelasteten Maschine erreicht. Die beim Betriebe zur Erzielung verschiedener Beanspruchungen des Probestabes aufgebrachten Zusatzmassen m und m1 werden durch Zusatzgegengewichte ausgeglichen. Diese müssen paarweise rechts und links von D und d angeordnet werden, um den Hebelarm der Kräfte nicht zu ändern. Der Bedingung gleicher Umfangsgeschwindigkeit der Maschine entspricht der elektromotorische Antrieb am besten. Bei der vorliegenden Untersuchung benutzte man zuerst einen Petroleummotor mit sehr ungünstigem Ergebnis. Dann gelang es, eine Dreifach-Expansionsmaschine in besonderer Weise zum Antrieb mit der gewünschten Empfindlichkeit und Gleichmässigkeit zu verwenden. Da hier örtliche Verhältnisse die Hauptrolle spielen, sei nur kurz bemerkt, dass die Kesselspannung von 8,5 Atm. auf 0,35 Atm. heruntergedrosselt wurde, um die Wirkungen der Spannungsschwankungen im Kessel auf den Gang der Arbeitsmaschine zu reduzieren und geringe Leistungen zu erhalten. Die bei der jeweilig gewünschten Geschwindigkeit für den Betrieb der Versuchsmaschine notwendige Arbeit, wurde dadurch genau eingestellt, dass der Ueberschuss an von der Betriebsmaschine abgegebener Arbeit durch eine leicht zu regelnde Wasserbremse vernichtet wurde. Um sofort irgendwelche Unregelmässigkeiten im Gange der durch Seiltrieb verbundenen beiden Maschinen zu entdecken und Abhilfe an der richtigen Stelle zu schaffen, waren beide mit gleichen auf dem Fliehkraftprinzip beruhenden Flüssigkeitsgeschwindigkeitsmessern ausgerüstet, deren Wasserstände mittels Spiegel und Fernrohr zu einem Bilde vereinigt waren. Damit hatte man ein sehr bequemes und scharfes Kriterium für die Schlüpfung der beiden Maschinen und fand, dass im richtigen Betriebe die Geschwindigkeitsschwankungen an beiden Maschinen den gleichen Betrag hatten. Nur beim Anlassen und bei Unregelmässigkeiten an der Prüfungsmaschine zeigten sich sofort grössere Unterschiede, die im letzteren Falle das Signal zum Anhalten der Maschine waren. Trotzdem eine sehr sorgfältige Schmierung vorgesehen war, trat selbst nach monatelangem Betriebe bei Veränderung der Umlaufszahl immer Warmlaufen der Hauptlager ein; durch geeignete, im Innern der Welle verlaufende Wasserspülung wurde diesem Uebelstande abgeholfen. Um die Fortpflanzung der Schwingungen, die beim unausgeglichenen Laufen der Maschine auftraten, nach Möglichkeit zu vermeiden und gleichzeitig die Richtigkeit des Ausgleiches sinnfällig feststellen zu können, war die Maschine auf vier Spiralfedern gelagert. Die nur kurze Zeit beanspruchenden Versuche wurden ohne Anhalten der Maschine glatt durchgeführt. Längere Versuche und die Rücksichtsnahme auf andere Arbeiten im Laboratorium machten ein Stillsetzen der Maschine und damit den Nachweis nötig, dass eine Pause keinen Einfluss auf die Ergebnisse ausübt. Dahinzielende Versuche zeigten, dass eine Pause von einigen Tagen keine Einwirkung auf die Materialeigenschaften hervorruft, dass dagegen Ruhe während einiger Monate zweifellos bedeutende Veränderungen zeitigte. Für die vorliegende Untersuchung, bei denen Pausen von mehr als zwei Tagen selten vorkamen, war also ein störender Einfluss nicht zu befürchten. Textabbildung Bd. 320, S. 484 Fig. 7. Bleibuffer. Es erübrigt nun noch die Betrachtung der Einflüsse, die von Nebenschwingungen herrühren: Die Befürchtung, es könnte Resonanz zwischen der Periode des Antriebs und der drei möglichen freien Schwingungen – der Längs-, Biegungs- und Drehungsschwingung – auftreten, war nur bei der letzten Art begründet, da die Schwingungsdauer bei den anderen sehr viel kleiner wird als bei der erzwungenen. Entsprechend dem grössten und kleinsten Gewicht von 19,9 und 5,64 kg konnte die Maschine mit Umdrehungszahlen arbeiten, die zwischen 1600–2500 Min.-Umdrehungen schwankten. Innerhalb dieser Grenzen liegt auch die Zahl der Kraftimpulse des Antriebs oder der Störungen, die die Nebenschwingungen hervorrufen. Dem gegenüber standen die freien Schwingungszahlen f. d. Minute mit 130000–150000 für longitudinale, 500000 für transversale und 1200–1800 für torsionale Schwingungen. Also nur für die letztere Schwingungsart lag die Möglichkeit der Resonanz vor. Wohl kann man das Spiel zwischen Nut und Feder (s. Fig. 7), die als Führung b des unteren Gleitstückes dienen, sehr klein halten und überdies werden noch die Schwingungen durch das Schmieröl stark gedämpft, doch, sind bei der kurzen Länge des Versuchsstückes die Amplituden für verhältnismässig grosse Beanspruchungen ausserordentlich klein. Sehr deutlich veranschaulicht den Einfluss der mehr oder weniger guten Führung bei b und die hiervon abhängige Ausbildung der Resonanz der Drehungsschwingungen die nachstehende Tabelle, zu deren Verständnis das Folgende dienen möge. Textabbildung Bd. 320, S. 484 Fig. 8. Probestab, Durchmesser 6,3 mm. Bruchwechsel-zahlen z Lastwechseli. d. Minute n a 132700 1855 b 127000 1855 c   17800 1777 d   51250 1737 e 329000 1775 Textabbildung Bd. 320, S. 484 Fig. 9. Abhängigkeit der Bruchwechselzahl z von dem Spannungsbereich, σ = σZmax + σDmax. und Anzahl der Lastwechsel i. d. Minute. Bei den Hauptversuchen mit Flusseisen fiel ein Wert für die BruchwechselzahlUnter Bruchwechselzahl z ist diejenige Anzahl von Kraft-Wechseln verstanden, bei der der Bruch des Probestückes eintritt. Die Zahl n = Spannungswechsel i. d. Min. bedeutet die Anzahl der in der Minute erfolgenden Kraftwechsel, wo bei einem Kraft-Wechsel das zweimalige Durchlaufen des Spannungsbereiches σ, einmal in positiver, das andere Mal in negativer Richtung entspricht. völlig heraus (a); eine Wiederholung dieses Versuches (b) unter Innehaltung aller Versuchsbedingungen zeigte dasselbe auffällige Ergebnis; bei: c und d wurde die Führung gelockert: damit war dem Ausbilden grösserer Amplituden volle Freiheit gelassen. Nachdem ein gutsitzender Keil eingefügt war, (e,) erhielt man eine Bruchwechselzahl, die sich gut in den Verlauf der übrigen einwandfreien Werte der Hauptversuche einreiht. Arbeitet man dagegen bei Umdrehungszahlen, die über oder unter der kritischen Umdrehungszahl (Resonanzmöglichkeit) liegen, so beeinflusste ein Lockern der Führung das Ergebnis keineswegs. Die Proben wurden nach Fig. 8 angefertigt. Zur Prüfung gelangten Flusseisen, Lowmooreisen, Gusstahl und Gusseisen. Für ausgeglühtes Flusseisen gilt das körperliche Schaubild Fig. 9. Sechs Flusseisenstäben wurden im Mittel je zehn Probekörper entnommen, die nach erfolgter Erhitzung auf Rotglut unter Verwendung einer gleichbleibenden angehängten Schwingmasse, aber mit veränderlicher minutlicher Wechselzahl, also veränderlichem Spannungsbereich σ, in der Maschine zu Bruch gebracht wurden. Minutliche Wechselzahl und Spannungsbereich a sind ja durch die Parabelgleichung \sigma=\frac{Q}{f}\,n^2\cdot \frac{2\,\pi^2}{30^2}\cdot \frac{r}{g} verbunden. Der Parameter ändert sich also auch mit dem Stabquerschnitt f: um nun überhaupt eine gesetzmässige Kurve zu erhalten, wurde, was bei den im Mittel 1 v. H. betragenden Schwankungen der Stabdurchmesser wohl erlaubt ist, für eine Versuchsreihe ein gleichmässiger Wert für f angenommen, so dass die Gleichung lautet: a = k . Q . n2, worin k=\frac{r\cdot \pi^2\cdot 2}{30^2\cdot g\cdot f} ist. Für verschiedene Q erhalten wir also ebensoviel Parabeln. Trägt man nun über diesen Parabeln die zu σ, n zugehörigen Bruchwechselzahlen z auf, dann erhält man eine Schar von Raumkurven. Diese ergeben nun die als schwarze Punkte gekennzeichneten Schnittpunkte mit Ebenen, die parallel zur zn-Ebene in zweckmässig gewählten Abständen gelegt sind, und damit neue Linienzüge, die die Abhängigkeit der Bruchwechselzahl von der min. Wechselzahl für bestimmte Spannungsbereiche a deutlich zeigen. Die Punktreihen bedurften einiger Ausgleichung, um die Materialverschiedenheiten und die anderen unvermeidlichen Unsicherheiten auszuscheiden.So z.B. wurde der höchste Punkt der Reihe (Q= 19,9 kg) mit einem Wert von z = 1520000 angenommen, der sich so gut dem Linienzuge einfügt, dass die Vermutung sehr nahe liegt, in der von Smith gegebenen Tabelle ist ein Ablesungsfehler vorgekommen. Er gibt z = 520000 an, ein Wert, der vollständig herausfällt. Je ein Stab von etwa 45 cm Länge wurde vorher jeder ganzen Stange entnommen und in der üblichen Weise Einern Zugversuch unterworfen. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle: σBSpannung an derFliessgrenzekg/qcm σBSpannung an derBruchgrenzekg/qcm σZSpannung bei derZerreisslastkg/qcm σBBruch-dehnungv. H. 2660 3800 3180 30,0 Greift man nun aus der körperlichen Darstellung irgend einen Spannungsbereich a, z.B. 3100 kg/qcm, heraus, wie das auch in dem Schaubild kenntlich gemacht ist, so findet man folgende zusammengehörigen Werte für die Bruchwechselzahl z und die minutliche Wechselzahl n. Schwing-gewichtkg Min. Um-drehungs-zahln Spannungs-bereichσ GrössteZug-spannungσ1 GrössteDruck-spannungσ2 Bruch-wechsel-zahlz     5,64 2450 3000     8,48 2000 150000   11,31 1740 3100 1630 1470 330000   14,16 1540 600000   17,00 1400 900000 19,9 1290 1330000 Trotzdem also die Beanspruchung durch Zug und Druck weit unter der Fliessgrenze des Materials bleibt, so übt ein Wechsel der Belastung, wenn er nur schnell genug erfolgt, eine derartige zerstörende Wirkung aus, dass Bruch schon nach einer verhältnismässig geringen Zahl von Belastungswechseln eintritt. Die Untersuchung, wie diese Einwirkung zustande kommt, wird wohl Aufgabe der Metallographie sein, da sicher Veränderungen im Kleingefüge vor sich gehen, ohne dass messbare Formänderungen auftreten; wenigstens konnte bei den Versuchen von Smith eine Verlängerung der Proben mit Sicherheit nicht festgestellt werden. Dagegen zeigten viele Stäbe eine Zunahme des Durchmessers, ohne dass es aber gelang, irgend welche innere Beziehung zwischen dieser Erscheinung und den Versuchsbedingungen festzustellen. Textabbildung Bd. 320, S. 485 Fig. 10. Verlauf der Bruchwechselzahl z mit dem Spannungsbereich σ für geglühten Gusstahl und für geglühtes Flusseisen. Für die anderen Eisensorten, Lowmooreisen und Gusstahl, ergaben sich dieselben Gesetze. Um die Ergebnisse für ausgeglühten Gusstahl mit denen für ausgeglühtes Flusseisen bequem vergleichen zu können, sind die Linienzüge oz, wie sie als Projektionen der obengenannten σzn Raumkurven auf die σz-Ebene erscheinen, zusammen aufgetragen (Fig. 10). Bei je einem durch Halbton verbundenen Kurvenpaar kam dasselbe Schwinggewicht Q in Anwendung. Man sieht ohne weiteres, dass der Gusstahl, der bei der üblichen Zugfestigkeitsprüfung ein (TS = 6200 kg/qcm, ein aB = 9000 kg/qcm bei 4 v. H. Bruchdehnung ergab, keine sonderlichen Abweichungen gegen Flusseisen zeigt: ein zweites, höchst beachtenswertes Ergebnis der vorliegenden Untersuchung, die aber noch in ihren einzelnen Teilen der wiederholten Nachprüfung und des Ausbaues bedarf. (Schluss folgt.)