Bauteilerprobungen im realen Einsatz sind angesichts sich ständig verkürzender Entwicklungszeiten und steigendem Kostendruck in vielen Bereichen kaum durchführbar. Ein Großteil der Erprobungen muss daher im Labor erfolgen. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei eine geeignete Abbildung der im realen Betrieb auftretenden Bauteilbelastungen auf den Prüfstandsversuch. Eine erfolgreiche Umsetzung der Erprobung am Prüfstand hängt im Wesentlichen von der Versuchsplanung und der Prüfstandstechnik ab.

Der Prüfstand besteht aus einer sehr steifen und schweren Rahmenkonstruktion mit vier Führungssäulen für das hydraulisch höhenverstellbare Querhaupt.

Der Prüfstand besteht aus einer sehr steifen und schweren Rahmenkonstruktion...

Besondere Herausforderungen an die Versuchsplanung stellen beispielsweise Elastomerbauteile. Aufgrund ihres komplexen Eigenschaftsprofils gibt es eine Vielzahl von Einflussgrößen auf das Betriebsfestigkeitsverhalten von Elastomeren, die bei der Versuchsplanung und Versuchsdurchführung zu beachten sind. So sind die dynamischen Eigenschaften von Elastomeren u. a. abhängig von Frequenz, Lastamplitude und Temperatur, aber auch von Setzungsverhalten, Alterungsverhalten, Elastomermischung und Fertigungsverfahren. Abgesicherte Berechnungsverfahren zur betriebsfesten Auslegung von Elastomerbauteilen liegen infolge der großen Zahl an Einflussgrößen auf das Betriebsfestigkeitsverhalten und deren gegenseitiger Wechselwirkung derzeit nicht vor.

Der Betriebsfestigkeitsnachweis einer Vielzahl von Elastomerbauteilen muss daher anhand von Bauteilversuchen auf ein- oder mehrachsigen Prüfmaschinen erfolgen. Da Elastomerbauteile im realen Betrieb aber oftmals einer mehrachsigen Belastung unterliegen, die im Bauteil zu einer nichtlinearen Beanspruchungsüberlagerung führt, lässt sich ein befriedigender Betriebsfestigkeitsnachweis meist nur auf mehrachsigen Prüfmaschinen durchführen. Die Ergebnisse der bedeutend einfacheren und kostengünstigeren, einachsigen Prüfungen weichen in vielen Fällen erheblich von den Versuchsergebnissen mehrachsiger Erprobungen ab, weil sie die im realen Betrieb auftretenden Beanspruchungen nicht hinreichend genau abbilden. Automobil- und Schienenfahrzeughersteller schreiben deshalb in ihren Bauteilspezifikationen häufig mehrachsige Prüfungen von Elastomerbauteilen vor.

Der Mehrachsprüfstand

Im Festigkeitslabor der Schweißtechnischen

Mit Hilfe von auf den Koppelstangen applizierten Dehnungsmessstreifen werden die in den Prüfkörper eingeleiteten Kräfte gemessen. Zusätzlich können die dynamischen Kräfte über eine aus drei 3D-Piezo-Kraftaufnehmern bestehende Kraftmesseinrichtung gemessen werden.

Mit Hilfe von auf den Koppelstangen applizierten Dehnungsmessstreifen werden...

Zentralanstalt (SZA), das auf Betriebsfestigkeitsprüfungen und Materialermüdung spezialisiert ist, werden neben dynamischen Versuchen an metallischen Bauteilen auch Lebensdauerprüfungen von Elastomerbauteilen durchgeführt. Dafür wurde im Jahr 1999 ein Mehrachsprüfstand der PST – Prüf- und Simulationssysteme GmbH (heute FBG Steinbach) angeschafft. Dieser servohydraulische Dreiachsprüfstand ist insbesondere für die Erprobung von Elastomer- und Gummi-Metallbauteilen entwickelt worden – ist aber keineswegs auf die Prüfung von Bauteilen aus diesen Werkstoffen beschränkt. Der Prüfstand befindet sich in einem separaten, klimatisierten Prüfraum, um die Einhaltung konstanter Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit gewährleisten zu können. Dies bietet im Gegensatz zum Feldversuch den Vorteil gleichbleibender und damit reproduzierbarer Versuchsbedingungen.

Der Prüfstand besteht aus einer sehr steifen und schweren Rahmenkonstruktion mit vier Führungssäulen für das hydraulisch höhenverstellbare Querhaupt. Das hydraulische System arbeitet mit einem Betriebsdruck von 280 bar. Die max. Prüffrequenz liegt bei f = 30 Hz. Die Zylinderkräfte werden in den drei translatorischen Achsen, über sechs paarweise angeordnete Koppelstangen, auf eine im Zentrum des Prüfstandes angeordnete Plattform übertragen. Diese dient zur Aufnahme des Prüfkörpers. Mit Hilfe von auf den Koppelstangen applizierten Dehnungsmessstreifen werden die in den Prüfkörper eingeleiteten Kräfte gemessen. Zusätzlich können die dynamischen Kräfte über eine aus drei 3D-Piezo-Kraftaufnehmern bestehende Kraftmesseinrichtung gemessen werden.

Die Kraftmesseinrichtung

Diese Kraftmesseinrichtung ist direkt in die Plattform integriert, um die Kräfte so nahe wie möglich am Prüfling zu erfassen. Eine weitere, am Querhaupt befestigte DMS-Kraftmesseinrichtung dient zur Messung von statischen Vorlasten in z-Richtung. Die Wegmessung erfolgt unmittelbar in den Zylindern. Zur gegenseitigen Entkoppelung bei den Querbewegungen, die aus den Verfahrwegen der Zylinder resultieren, sind die Koppelstangen an ihren Enden mit Kreuzfedergelenken ausgestattet. Das zu untersuchende Bauteil wird zwischen der beweglichen Plattform aus Aluminium und dem starren Querhaupt befestigt.

Mit der Prüfstandssoftware ist das Nachfahren von dreiachsigen Signalen sowohl in Kraft- als auch in Wegregelung möglich. Eine Besonderheit des Prüfstandes ist die adaptive Regelung. Hierbei werden jeweils für einen Durchlauf des Prüfsignals die Abweichungen von SOLL- zu ist IST-Signal (Kräfte, Wege, Dehnungen,…) ermittelt und daraufhin die Stellsignale für die Servoventilansteuerung derart adaptiert, dass für den nachfolgenden Signaldurchlauf optimierte Stellgrößen zur Verfügung stehen. Dieser Prozess wird solange iterativ durchlaufen, bis sich eine vorab definierte Nachfahrgüte einstellt. Erst wenn z. B. ein zulässiger Mittelwert- oder Spitzenwertfehler unterschritten worden ist, schaltet das Programm in den Dauerlauf. Verschlechtert sich im Laufe der Dauerprüfung die Nachfahrgüte – z. B. aufgrund einer einsetzenden Bauteilschädigung – wird von der Software automatisch eine erneute Iteration durchgeführt, bis der zulässige Fehler zwischen IST- und SOLL-Signal wieder unterschritten wird.

Die Nachgiebigkeiten der Bauteilaufnahme und des 4-Säulen-Prüfrahmens können über die Regelungssoftware ebenso kompensiert werden wie das Übersprechen der einzelnen Achsen untereinander. Wurden an einem Bauteil beispielsweise Betriebsmessungen mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen durchgeführt, so können diese Messwerte unmittelbar als SOLL-Signal für den Prüfstandsversuch verwendet werden. Dafür müssen auf den Bauteilen für den Prüfstandsversuch lediglich an den Messstellen der Betriebsmessung Dehnungsmessstreifen appliziert werden. In so genannter „Pseudo-Dehnungsregelung“ vergleicht die Regelungssoftware nun die SOLL- mit den IST-Dehnungsverläufen, der Prüfstand befindet sich jedoch in Wegregelung. Dabei werden die Zylinderwege der drei translatorischen Achsen so verändert, dass an einer bestimmten Stelle auf dem Bauteil die geforderten Dehnungen auftreten. Dadurch erspart sich der Kunde einerseits die aufwendige Generierung von Prüfsignalen, die in den drei orthogonalen Achsrichtungen liegen und andererseits ist sichergestellt, dass genau jene Verformungen in das Bauteil eingeleitet werden, die auch im Betrieb gemessen wurden.

Die typischen Prüfkörper

Typische Prüfkörper für multiaxiale Lebensdauerprüfungen sind Elastomer-Metall-Verbundbauteile bei Schienenfahrzeugen wie Lenker im Fahrwerksbereich oder Primärfederungen zwischen Radsatz und Drehgestellrahmen, die im Betrieb teilweise sehr hohen statischen und dynamischen Kräften ausgesetzt sind. Die Primärfederung eines Schienenfahrzeugs muss z. B. die statische Grundlast des Wagenkastens tragen, gleichzeitig aber auch die über die Schienen eingebrachten Stöße bzw. Kräfte aufnehmen. Diese Elastomer-Metall-Verbundbauteile haben trotz aller Vorteile einen wesentlichen Nachteil. Sie unterliegen in Abhängigkeit von der tatsächlichen Belastung oftmals einem erheblichen Verschleiß. Zudem stellen sie in vielen Fällen sicherheitsrelevante Bauteile dar.

Ein Versagen dieser Bauteile im Betrieb kann unter Umständen zu katastrophalen Folgen führen. Die Erprobung solcher Bauteile auf dem Prüfstand ermöglicht innerhalb von wenigen Wochen die Abschätzung der Lebensdauer unter realen Betriebsbedingungen. In regelmäßigen Abständen durchgeführte Kennlinienmessungen bieten zudem die Möglichkeit, Aussagen über das Schädigungsverhalten der Elastomerbauteile zu treffen. Ein aus entsprechenden Belastungs-Zeit-Funktionen von Betriebsmessungen abgeleiteter Betriebsfestigkeitsnachweis auf dem Prüfstand ist daher ein unumgänglicher Bestandteil der Erprobung von Elastomeren für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Bauteilen.

Der Prüfstand besteht aus einer sehr steifen und schweren Rahmenkonstruktion mit vier Führungssäulen für das hydraulisch höhenverstellbare Querhaupt.

Mit Hilfe von auf den Koppelstangen applizierten Dehnungsmessstreifen werden die in den Prüfkörper eingeleiteten Kräfte gemessen. Zusätzlich können die dynamischen Kräfte über eine aus drei 3D-Piezo-Kraftaufnehmern bestehende Kraftmesseinrichtung gemessen werden.