Neuere Dauerversuchsmaschinen. Von Georg Wazau. (Schluss von S. 486 d. Bd.) Neuere Dauerversuchsmaschinen. II. Die Maschine von Stanton.Engineering 1905, S. 201. Die Maschine von Dr. Stanton, Vorsteher des Maschinenlaboratoriums des „National Physical Laboratory“ (Fig. 11), unterscheidet sich von der vorgenannten im wesentlichen durch die Art des Antriebes, durch die wagerechte Anordnung der Versuchsstäbe, deren vier gleichzeitig in der Maschine geprüft werden können, durch die Mittel der Ausgleichung der Massenkräfte, und durch die Wahl niedriger Umdrehungszahlen, die einen grösseren Hub und ein grösseres Schubstangenverhältnis \frac{r}{t} bei mässiger Baulänge der Maschine bedingen. Der grössere Hub ermöglicht es, bei kleineren Schwinggewichten Q mit Geschwindigkeiten n zu arbeiten, deren Grenzen bei 500 und 2000 minutlichen Umdrehungen liegen. Will man nun die Länge der Maschine nicht zu gross erhalten, so wählt man ein nicht zu kleines Schubstangenverhältnis \frac{r}{t}, erkauft aber diesen Vorteil mit der Schwierigkeit der Ermittlung der Beanspruchungen, denen der Stab unterliegt und die verhältnismässig umständliche Rechnungen erfordern; denn die Umlaufsgeschwindigkeit ist während einer Umdrehung der Betriebswelle nicht mehr nahezu konstant, wenn auch der Kräfteausgleich in bezug auf das Wellenmittel ein vollkommener ist. Eine später folgende Rechnung wird über die obwaltenden Verhältnisse Aufschluss geben. Die schematische Darstellung (Fig. 11) zeigt, dass die Maschine aus zwei in sich ausgeglichenen Systemen B1 und B2 besteht, die gegeneinander unter einem rechten Winkel arbeiten. Die Probestäbe S erhalten von der Kurbelwelle W mittels der Schubstangen, die L auf der einen wegen des Ausgleichs der Kräfte geteilt ausgeführt werden müssen, die Bewegung und übertragen diese auf die Massen Q, die sich als äussere Querhäupter mit aufgeschraubten Zusatzgewichten m darstellen (Fig. 12b). Die Bewegung dieser Massen löst die Massendrücke aus, die unter Berücksichtigung der Reibungsbeträge die Beanspruchung der Probekörper ausmachen. Textabbildung Bd. 320, S. 506 Fig. 11. Schematische Darstellung der Stanton-Maschine. Textabbildung Bd. 320, S. 506 Fig. 12b. Aeusseres Querhaupt Q mit Belastungsgewichten.Fig. 12a. Schnitt M. M. (Fig. 11).Fig. 13. Schnitt durch die Fangvorrichtung. Der Antrieb erfolgt durch unmittelbar gekuppelten Elektromotor, dessen Umdrehungszahl zwischen 500 und 2000 minutlichen Umdrehungen durch einen Kohlewiderstand, der immer zwischen die Stufen des Hauptanlassers gelegt wird, sehr genau eingestellt werden kann. Die Fundamentplatte, auf der die ganze Maschine gelagert ist, hängt an vier ½ Zoll starken Stahlstäben, die eine erhebliche seitliche Beweglichkeit gestatten und somit mangelhaften Massenausgleich sofort durch Pendeln der ganzen Maschine bemerkbar machen. Die Verwendung von vier Probestäben bietet den Vorteil, vier Materialien unter genau gleichen Versuchsbedingungen vergleichsweise zu prüfen. Hierbei muss aber dafür Sorge getragen werden, dass der Bruch eines oder mehrerer der Versuchskörper an den Bewegungsverhältnissen der Maschine nichts ändert. Ferner muss der Bruch jedes der Körper dem Beobachter angezeigt werden. Die Art der Erfüllung beider Forderungen zeigt Fig. 13, die einen Schnitt durch zwei zugehörige Querhauptführungen darstellt. Beim richtigen Betrieb liegt das kolbenförmig gehaltene linke Ende e des Bolzens b frei mit sehr kleinem Zwischenraum zwischen zwei Gummibuffern c. Die Aufnahme der Kräfte ist also dem Probestab überlassen. Nach erfolgtem Bruch, dem ja erfahrungsmässig keine merkbaren Formänderungen voraufgehen, übertragen die beiden Bolzen das Kraftspiel in nahezu dergleichen Weise, wie vorher der Probestab; denn das geringe Pendeln der Bolzen zwischen den Gummibuffern und die Zusammendrückungen der letzteren ändern an den mechanischen Verhältnissen so gut wie nichts, wohl aber gibt die geringe Lagenveränderung des äusseren Querhauptes die Möglichkeit, durch einen elektrischen Kontakt eine Klingelvorrichtung als Kennzeichen des erfolgten Bruches zu betätigen. Die Form des Probestabes ist im wesentlichen dieselbe wie die bei der vorbeschriebenen Maschine; seine Einspannung erfolgt nach Fig. 12a unter Benutzung einer geschlitzten Mutter, die durch zwei Schrauben zusammengepresst werden kann. Dadurch wird ein Verwinden des Stäbchens beim Einlegen vermieden. Dass irgend welche unbeabsichtigten Schwingungen die Ergebnisse beeinträchtigen könnten, ist hier ausgeschlossen; denn die einzige vielleicht zur Resonanz kommende Schwingung, die Drehschwingung, fällt bei der wagerechten Anordnung fort. Besondere Aufmerksamkeit muss die Schmierung der Maschine zugewandt werden; denn bei der wagerechten Lage nehmen die Reibungswiderstände an der Ausbildung des Kräftespiels in der Maschine einen höheren Anteil als bei senkrechtem Bau. Man wird also einerseits für ganz gleichmässige Oelzufuhr sorgen und anderseits bestrebt sein müssen, möglichst an dem Gewicht der Teile zu sparen, die nicht für die Belastung des Stabes in Frage kommen. Wie letzteres für die Schubstangen, Kuppelbolzen und Führungsstücke durchgeführt ist, zeigt ein Blick auf die Fig. 12a. Die Gleitflächen der oberen Querhäupter wurden unter Oeldruck gesetzt, um die Reibung geringfügig zu halten. Gerade die Untersuchung der Reibung dieser Teile bildet einen der wichtigsten Punkte für die Beurteilung der Brauchbarkeit der wagerechten Anordnung bei einer derartigen Prüfungsmaschine. Setzt sich doch die Beanspruchung des Probestabes aus dem Trägheitswiderstand der an ihm befestigten Massen und der Reibung zusammen. Gelingt es nicht, die Reibung für die in Betracht kommenden Grenzfälle der Belastung der Null angenähert gleich zu machen, so sind die Spannungsbereiche σ immer mit der Unsicherheit behaftet, die im Wesen der Reibung fester und flüssiger Körper liegen. Man liess zunächst die Maschine derart mit verschiedener Belastung laufen, dass das Gesamtgewicht der äusseren Querhauptmassen einmal 10,6 kg, das andere Mal das Doppelte betrug. In Uebereinstimmung mit den Ergebnissen der neueren Arbeiten über Flüssigkeitsreibung gelang es nicht, messbare Unterschiede im Arbeitsbedarf für beide Fälle festzustellen. Textabbildung Bd. 320, S. 507 Fig. 14. Arbeitsverbrauch beim Betrieb der Maschine. Minutliche Umdrehungen; ganze Maschine; Maschine ohne äusseres Querhaupt. Darauf arbeitete man mit abgehängtem äusseren Querhaupt und verglich die gefundenen Arbeitswerte mit den für volle Ausrüstung gefundenen (s. Fig. 14). Der Unterschied der beiden so ermittelten Arbeitsgeschwindigkeitskurven A1 und A2 ergibt das Gesetz, dass die Arbeit zum Antriebe des äusseren Querhauptes mit der zweiten Potenz der Geschwindigkeit wächst, der Widerstand also der Geschwindigkeit unmittelbar proportional ist. Die Gesamtarbeit nimmt mit der 1,5 : 2. Potenz der Geschwindigkeit zu, ergibt also für den Widerstand der ganzen Maschine ungefähr ein Wachsen mit der Wurzel aus der Geschwindigkeit, ein Resultat, das die Güte der Schmierung beweist. Wenn trotzdem auf den ersten Blick der gesamte Arbeitsaufwand – für 800 minutl. Umdrehungen beträgt er ∾ 3 PS – hoch erscheint, so zeigt eine Betrachtung der Grösse der gleitenden Flächen, die den bedeutenden Betrag von 3600 qcm ausmachen, dass der Arbeitsverbrauch normal ist. Da nun die grössten Beanspruchungen der Probestäbe in der Nähe der Totpunkte auftreten, so ist wegen der hier herrschenden geringen Geschwindigkeit der Gleitstücke der zu berücksichtigende Reibungswiderstand so klein, dass man unbedenklich für die grösste Zugbeanspruchung σ1 im äusseren, für die grösste Druckbeanspruchung σ2 im inneren Totpunkte unter Beibehaltung der oben gebrauchten Bezeichnungen setzen kann: \sigma_1=\frac{Q}{g}\,\frac{\omega^2\,r}{f}\,\left(1+\frac{r}{l}\right) \sigma_2=\frac{Q}{g}\,\frac{\omega^2\,r}{f}\,\left(1-\frac{r}{l}\right) Im Verlaufe der nachstehend kurz wiedergegebenen Untersuchung der Bewegungsverhältnisse des Systems während einer Umdrehung zeigt sich nämlich, dass die massgeblichen Beanspruchungen nur geringfügig durch die Geschwindigkeitsschwanken beeinflusst werden. Um nun zu einfachen Differentialgleichungen zu gelangen, soll angenommen werden, dass sich die Bewegungsvorgänge lediglich unter dem Einflüsse von Trägheitskräften abspielen, also durch elektrische Einwirkung keine Störung erleiden. Das Antriebsmoment des Motors soll also nur zur Ueberwindung der Reibungswiderstände dienen. Ferner werden die Massen der Schubstange durch entsprechende Zuschläge zu den rotierenden und hin- und hergehenden Massen berücksichtigt und gewisse Grössen kleiner Ordnung vernachlässigt. Für die Trägheitswiderstände der hin- und hergehenden Massen des einfachen Kurbeltriebes bei veränderlicher Umfangsgeschwindigkeit ω ergibt sich die Beschleunigung p=r\,\frac{d^2\,\varphi}{dt^2}\,\left(\mbox{sin}\,\varphi+\frac{\mbox{sin}\,2\,\varphi}{2\,n}\right)+r\,\left(\frac{d\,\varphi}{dt}\right)^2\,\left(\mbox{cos}\,\varphi+\frac{\mbox{cos}\,2\,\varphi}{2\,n}\right) . . . . . 1) wobei φ der Kurbelwinkel, vom inneren Totpunkt an gerechnet, und n=\frac{r}{l} ist. Da kein Antriebsmoment zur Bewegung der Massen zur Verfügung stehen soll, muss sich der Vorgang nach der Gleichung abwickeln J\,\frac{d^2\,\varphi}{d\,t^2}+\frac{Q\cdot r^2}{g}\,\left[\left\{1+\frac{1}{n}\,\mbox{sin}\,2\,\varphi\,(\mbox{sin}\,\varphi-\mbox{cos}\,\varphi)\right\right \left+\frac{1}{2\,n^2}\,\mbox{sin}^2\,2\,\varphi\right\}\,\frac{d^2\,\varphi}{dt^2}+\left\{\frac{1}{2\,n}\,\mbox{sin}\,2\,\varphi\,(\mbox{sin}\,\varphi+\mbox{cos}\,\varphi)\right +\frac{1}{n}\,\mbox{cos}\,2\,\varphi\,(\mbox{sin}\,\varphi-\mbox{cos}\,\varphi) \left\left+\frac{1}{n^2}\,\mbox{sin}\,2\,\varphi\cdot \mbox{cos}\,2\,\varphi\right\}\,\left(\frac{d\,\varphi}{dt}\right)^2\right]=0 . . . . 2) wobei φ vom inneren Totpunkt der nacheilenden Kurbel an gerechnet ist, J das Trägheitsmoment aller umlaufenden Teile und Q das Gewicht der hin- und hergehenden Massen eines ausgeglichenen Systems B bedeutet. Setzt man nun \Theta=J+\frac{Q\,r^2}{g}\,\left\{1+\frac{1}{n}\,\mbox{sin}\,2\,varphi\,(\mbox{sin}\,\varphi-\mbox{cos}\,\varphi)+\frac{1}{2\,n^2}\,\mbox{sin}^2\,2\,\varphi\right\} so kann man sich leicht überzeugen, dass die Gleichung 1) durch \frac{d}{dt}\,\left[\Theta^{1/2}\cdot \frac{d\,\varphi}{dt}\right]=0 oder \Theta^{1/2}\cdot \frac{d\,\varphi}{dt}=C=\omega_o\,\left\{J+\frac{Q\,r^2}{g}\right\}^{1/2} . . . 3) erfüllt ist, wenn nämlich \omega_0=\frac{d\,\varphi}{dt} für φ = 0 ist. Vernachlässigt man die Glieder mit \frac{1}{n^2}, so erhält man aus Gleichung 2) die Gleichung zwischen dem Kurbelwinkel φ und der Zeit t \varphi+\frac{Q\,r^2}{3\,n\,(g\,J+Q\,r^2}\,\left\{(\mbox{sin}\,\varphi+\mbox{cos}\,\varphi)\,\left(1-\frac{\mbox{sin}\,2\,\varphi}{2}\right)-1\right\}=\omega_o\cdot t . . . 4) ω0 wird aber nach Gleichung 4) für γ = 2 π und t = T (der Zeit einer Umdrehung): \omega_o=\frac{2\pi}{T}. Am inneren Totpunkt ist also eine Geschwindigkeit vorhanden, welche der mittleren am Umdrehungszähler festzustellenden gleich ist. Durch Benutzung von Gleichung 2) und 3), aus denen man die ersten und zweiten Ableitungen von φ nach der Zeit t erhält, bekommt man aus Gleichung 1) eine Reihe von Ausdrücken p für beliebige Winkel, welche mit den Massen multipliziert die Belastung des Probestückes für beliebige Winkel ergeben. Man kann diese Ausdrücke als Ordinaten sowohl zur Zeit t als Abszisse oder zum Kurbelwinkel φ als Abszisse auftragen. Gegen die rein harmonische Bewegung ergibt sich ein sehr geringfügiges Pendeln der wirklich auftretenden Werte und zwar ist der wichtigste Unterschied, dass σ2 seinen grössten absoluten Wert nicht bei φ = 180 °, sondern schon etwa bei φ = 170° mit einem um 1 v. H. höheren Betrage erreicht, während für φ = o der grösste Wert σ1 auftritt. Man kann also unbedenklich mit den Formeln rechnen \sigma_1=\frac{Q\cdot r\cdot \omega^2}{g\cdot f}\,\left(1+\frac{v}{l}\right) \sigma_2=\frac{Q\cdot v\cdot \omega^2}{g\cdot f}\,\left(1-\frac{v}{l}\right) Versuchsergebnisse mit dieser Maschine liegen nicht vor. III. Die Maschine von H. Smith. Textabbildung Bd. 320, S. 508 Fig. 15. Schema der Maschine von Smith. Zug- und Druckprobe; Scherprobe. Textabbildung Bd. 320, S. 508 Fig. 16. Kurbelschema der Maschine von Smith. Eine ganz ähnliche Maschine,Engineering 1905, 307. nur senkrechter Anordnung, zeigen Fig. 15 und 16. Die Konstruktion, die für das „Sunderland Technical College“ in Ausführung kam, stammt von J. H. Smith, dessen Verdienste um die Durchführung der Versuche im Owens College in Manchester gebührend gewürdigt worden sind. Der Vorteil der stehenden Anordnung gegenüber der liegenden ist ohne weiteres klar. Der Arbeitsbedarf wird gering, die Oelung einfacher, die Reibung spielt nur eine nebensächliche Rolle und die Ermittlung der Beanspruchungen begegnet keinerlei Schwierigkeiten. Die gleichzeitige Verwendung von sechs Probestücken, von denen vier Zugspannungen, zwei Scherspannungen erfahren, bedeutet für die Sicherheit der Ergebnisse im Hinblick auf vergleichende Untersuchungen einen weiteren Fortschritt und gibt zwanglos die Mittel zum vollkommenen Ausgleich der Kräfte und zur Konstanterhaltung der lebendigen Kraft des Systems an die Hand. Die Maschine soll 2500–4000 Umläufe i. d. Minute ausführen. Aus der Fig. 15 geht nicht hervor, in welcher Weise beim Bruch eines Probekörpers für die Erhaltung der normalen Betriebsverhältnisse Sorge getragen ist. Eine eingehende Besprechung der Einzelheiten der Maschine ist vom Erbauer in Aussicht gestellt, wenn die ersten Ergebnisse von Versuchen mit ihr vorliegen. Mit einem ganz neuen TypEngineering 1905, 307. macht uns Fig. 17 bekannt. Die in liegender Anordnung für das „Belfaster Technikum“ von J. H. Smith gebaute Maschine prüft drei Körper, einen auf Scherung, zwei auf Zug- und Druckspannungen zu gleicher Zeit und hat vor allen vorher beschriebenen den Vorzug, dass hin- und hergehende Massen völlig fortfallen und der Probekörper a keine räumliche Bewegung ausführt. Der Apparat legt daher der experimentellen Untersuchung der Formänderungen während des Versuches nichts in den Weg. Wenn es gelingt, geeignete einfache Messverfahren zu finden, so wäre damit für ein tieferes Eindringen in die Vorgänge der wechselnden Belastung viel gewonnen. Die Belastung erfolgt durch das Spiel von Fliehkräften zweier Massen E, das durch Führungen B beschränkt, sich nur in wagerechter Richtung abwickelt. Die Fliehkräfte werden durch Drehung der Scheiben S erzeugt, auf welche die Gewichte E aufgeschraubt und deren hohle Achsen in dem mit dem Probekörper verbundenen Passtück P gelagert sind. Ihren Antrieb erhalten sie durch den Mitnehmer m von einer Welle, die mit einem den Bruch berücksichtigenden Spielraum durch die hohle Achse hindurchgeht, Textabbildung Bd. 320, S. 508 Fig. 17. Sehr einfach fügt sich noch ein weiterer wichtiger Teil ein. Durch die Feder H kann man hier nämlich leicht eine Vorspannung geben, um die die Fliehkräfte als Gleichgewichtslage Schwingungen ausführen. Man kann also in beliebiger Höhe der Vorspannung mit beliebigen Spannungsbereichen sechs Versuche ausführen. Das bedeutet aber eine erhebliche Erweiterung des vorliegenden Untersuchungsgebietes. Man braucht z.B. nur an die Untersuchung langer Drähte zu denken, die auf wechselnde Zugkräfte beansprucht werden. Durch den Wegfall der hin- und hergehenden Massen sind auch die Störungen im Lauf der Maschine in der Hauptsache beseitigt und die Schwierigkeiten der Schmierung gegenstandslos geworden. Dass die Feder anderseits ein empfindliches Konstruktionsglied bilden wird, dessen Verhalten im Betriebe man erst wird abwarten müssen, kann nicht geleugnet werden. Das eifrige Streben und die grosse Sorgfalt in Ausführung und Konstruktion der Maschinen, die uns die vorstehenden Zeilen gezeigt haben, lassen erwarten, dass wir in den nächsten Jahren mit einer Fülle von wertvollem Versuchsmaterial versorgt werden.