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Effiziente Ermüdungsprüfungen an Bauteilen wie Kurbelwellen

Ermüdungsprüfungen
Nur nicht müde werden

Bei der praxisgerechten Auslegung von Bauteilen spielt die Betriebsfestigkeit eine Rolle. Ihr Wert lässt sich effizient mit elektromagnetischen Hochfrequenzpulsatoren ermitteln.

David Kalke
Fachjournalist, Awikom

Bauteile wie Kurbelwellen, Pleuel und Steuerketten in Motoren, aber auch Verbindungselemente im Flugzeugbau sowie Bewehrungsstähle für den Kraftwerksbau, sind extremen Belastungen ausgesetzt. Um deren Sicherheit zu gewährleisten, werden sie daher nicht nur statischen, sondern auch dynamischen Werkstoffprüfungen unterzogen. Die Betriebsfestigkeit wird üblicherweise in Dauerschwingversuchen durch das Aufbringen periodischer Lasten ermittelt.

Die Grenzkurve, die sich daraus ergibt, bezeichnet man als Wöhlerkurve. Sie zeigt den Zusammenhang zwischen Bruchlastspielzahl und Ausschlagspannung. Besonders wirtschaftlich bei der Bestimmung der gesuchten mechanischen Eigenschaften zeigen sich elektromagnetische Hochfrequenzpulsatoren. Zwickroell bietet in der Vibrophore-Baureihe Prüfmaschinen von 5 bis 1.000 kN Prüfkraft an. Dabei sind – ausreichend steife Proben vorausgesetzt – Prüffrequenzen von bis zu 285 Hz möglich. Die hohe Frequenz führt zu kurzen Prüfzeiten und einem hohen Durchsatz an Proben.

Große Kraft- und Wegeamplitude
bei minimalem Energieeinsatz

Dem Hochfrequenzpulsator liegt das Prinzip eines mechanischen Resonators mit elektromechanischem Antrieb zugrunde. Durch das Verfahren der oberen Traverse über einen Spindelantrieb wird die Mittelkraft aufgebracht. Den dynamischen (sinusförmigen) Teil der Last erzeugt ein im Resonanzbetrieb arbeitendes Schwingsystem. So erreicht man eine große Kraft- und Wegeamplitude bei minimalem Energieeinsatz: Der Energiebedarf liegt nur bei 2% dessen, was eine servohydraulische Prüfmaschine für die gleiche Arbeit benötigt.

Die separate Ansteuerung beider Antriebe ist kraft-, weg- oder dehnungsgeregelt möglich. Die Änderung der Prüffrequenz lässt sich sehr einfach durch Variation der Gewichte vornehmen. Auf den ersten Blick als zentrales Merkmal der Vibrophore-Baureihe erkennbar ist der extrem steife Lastrahmen. Durch die Two-in-One-Funktion erfüllen die Prüfmaschinen zudem eine Doppelrolle: Sie können nicht nur als dynamische, sondern auch als vollwertige statische Prüfmaschine eingesetzt werden; und das im gesamten Kraftbereich. Damit sind sie nicht nur für Labore attraktiv, die sich überwiegend dynamischen Prüfanforderungen stellen, sondern auch für Einrichtungen mit größtenteils statischen Prüfungen.

Die Installation von Hochfrequenzpulsatoren ist einfach: Sie benötigen weder Öl noch eine Kühlwasserversorgung. Zudem arbeiten die Systeme dank des elektromagnetischen Antriebs nahezu verschleißfrei. Komplexe Wartungsmaßnahmen und Ausfallzeiten bleiben dem Anwender so erspart.

Ermüdungseigenschaften von Ketten, Schrauben und Pleul

Besonders effizient ist der Einsatz elektromagnetischer Hochfrequenzpulsatoren zur Bestimmung der Ermüdungseigenschaften von Gelenkketten. Im realen Einsatz unterliegen diese ständig periodisch schwankenden Belastungen in schwierigen Umgebungsbedingungen. Neben der Bruch- und Verschleißfestigkeit werden Rollen-, Buchsen- und Bolzenketten besonders auf ihre Eigenschaften im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich geprüft. Die typischen Prüffrequenzen bei einer Kettenprüfung liegen zwischen 50 und 150 Hz.

Bei dynamisch beanspruchten Schrauben liegen die eingesetzten Frequenzen dagegen je nach Schraubenverbindung zwischen 120 und 285 Hz. Speziell an Flugzeugtriebwerken und im Rennsport wird ein Optimum an geringem Gewicht bei hoher Dauerbelastbarkeit verlangt. Bei Serienprüfungen in der Qualitätssicherung sind Schrauben bis zu einer Million Lastwechsel ausgesetzt.

Prüfungen in Klimakammern und flüssigen Medien wie Ölen oder korrosiven Medien sind mit dem entsprechenden Zubehör ebenfalls kein Problem; etwa bei Ermüdungsprüfungen an Pleuel in einem Ölbad mit Temperaturen von 90 bis 120 °C und typischen Prüffrequenzen von 150 Hz. So lassen sich während der Prüfung die späteren Arbeitsbedingungen nachbilden, um möglichst exakte Prüfergebnisse zu erhalten.

Der Spannungsintensitätsfaktor KIC beschreibt den Grenzwert, bei dem ein vorhandener feiner Anriss an einer Normprobe unter steigender Last zum plötzlichen Versagen der Struktur und damit zum Bruch führt. Er ist eine der zentralen Größen bei der Auswirkung von Rissen auf die Struktur des Werkstoffes. Die Belastungsrichtung verläuft bei dieser Prüfung senkrecht zur Rissebene.

Der Versuch findet in zwei Teilen statt: Beim sogenannten Anschwingen wird mit bis zu 90 Hz ausgehend von der „Norm“-Kerbe ein künstlicher Riss durch zyklische Belastung erzeugt. Durch die Empfindlichkeit der Resonanzfrequenz gegenüber Strukturänderungen können sowohl entstehende als auch wachsende Risse sehr schnell erkannt werden. Im zweiten Teil des Versuchs wird die Probe dann weggeregelt bis zum völligen Versagen belastet. Aus der Kraft-Verformungskurve und der Aufweitung des Risses lässt sich die Bruchzähigkeit KIC bestimmen.

Unterstützt wird der Anwender durch die Prüfsoftware Testxpert III von Zwickroell. Sie beinhaltet spezielle Masterprüfvorschriften für ein- und mehrstufige Dauerschwingversuche an metallischen Proben. Bei mehrstufigen Versuchen besteht die Möglichkeit, bis zu zehn Blöcke individuell anzufahren und unterschiedlich zu regeln – wahlweise nach Kraft, Dehnung oder Weg. Zusätzlich zum Prüfablauf können Mittelkraft und dynamische Last direkt über einen Regler gesteuert werden.



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