Industrieanzeiger 11.2019

technik & wissen
Effiziente Ermüdungsprüfungen an Bauteilen
Bloß nicht müde
werden
Prüftechnik | Bei der praxisgerechten Auslegung von
Bauteilen spielt die Betriebsfestigkeit eine Rolle. Ihr
Wert lässt sich effizient mit elektromagnetischen
Hochfrequenzpulsatoren ermitteln.
Schraubenprüfung im elektromagnetischen
Hochfrequenzpulsator: Bei dynamisch
beanspruchten Schrauben liegen
die eingesetzten Frequenzen je nach
Schraubenverbindung zwischen 120 und
285 Hz. Bilder: Zwickroell
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 las-
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