Bis zum bitteren Ende

Multiaxiale Prüfung von Elastomerlagern am AB Mechanik I    

Im Trend der sich ständig verkürzenden Entwicklungszeiten und unter steigendem Kostendruck sind Bauteilerprobungen im realen Einsatz kaum noch möglich. Der größte Anteil der Erprobung muß daher im Labor oder im Prüffeld erfolgen. Dies bietet zusätzlich den Vorteil gleichbleibender und reproduzierbarer Versuchsbedingungen.
Neben einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen sowie einer fast vollständigen Inkompressibilität besteht bei Elastomerwerkstoffen ein deutlich nachweisbarer Einfluß auf das Werkstoffverhalten bei dynamischer Belastung (dynamische Verhärtung). Zusätzlich lassen sich die Werkstoffeigenschaften durch Fertigungsparameter und Zusammensetzung der Gummimischung über weite Bereiche einstellen, wodurch sich Elastomerlager individuell an den jeweiligen Einsatzzweck anpassen lassen. Für den Entwickler stellt sich dadurch jedoch das Problem, daß im Rahmen der Entwicklung durchgeführte Berechnungen gewissen Unsicherheiten unterliegen, da eine exakte mathematische Beschreibung des Werkstoffverhaltens schwierig ist und beschreibende Werkstoffparameter häufig nicht ausreichend genau vorliegen.
Besonders kritisch ist bei Elastomerbauteilen der Nachweis einer ausreichenden Betriebsfestigkeit bzw. die Beurteilung der Lebensdauer, da diesbezüglich für Elastomere keine abgesicherten Rechenverfahren existieren und auch entsprechende Kennwerte (Wöhlerlinien, Haigh-Diagramme) so gut wie nicht verfügbar sind. Um so wichtiger sind daher Versuche, die Aussagen über Bauteileigenschaften, Betriebsfestigkeit und Lebensdauer gestatten.

Warum multiaxiale Prüfungen?
Elastomerlager unterliegen im realen Einsatz meistens einer räumlich überlagerten Belastung. Auf Fahrwerksbuchsen eines Pkws können beispielsweise in vertikaler Richtung die Gewichtskräfte des Fahrzeugs überlagert mit Kräften aus Fahrbahnunebenheiten, in Längsrichtung Brems- und Beschleunigungskräfte und in Querrichtung Kräfte aus Kurvenfahrten wirken. Diesen gleichzeitig auftretenden Belastungen kann zusätzlich noch eine Verdrehung innerhalb der Buchse überlagert sein, wenn das Fahrzeug einfedert.
Aufgrund des nichtlinearen Werkstoffverhaltens findet weiterhin eine gegenseitige Beeinflussung der Lagereigenschaften in den einzelnen Raumachsen statt. So ist z.B. die Steifigkeit eines Motorlagers in Querrichtung abhängig von der vertikalen Einfederung.
Daher schreiben die Automobilhersteller und die Hersteller von Schienenfahrzeugen in ihren Bauteilspezifikationen oft mehrachsige Prüfungen vor, weil die wesentlich einfacheren und damit billigeren einachsige Prüfungen zum Teil erheblich von den Ergebnissen mehrachsiger Prüfungen abweichen und somit die Realität nicht genügend widerspiegeln.
 

Mehrachsige Prüfmaschine am AB Mechanik I 
Für die systematische Erforschung schädigungsrelevanter Einflüsse und die Entwicklung und Erprobung neuer Schadenshypothesen bei Elastomerbauteilen sind multiaxial arbeitende Prüfmaschinen unerläßlich. Aus diesem Grund wurde am AB Mechanik I in Zusammenarbeit mit der Firma PST - Prüf- und Simulationssysteme GmbH aus Duisburg eine vierachsige servohydraulische Prüfmaschine entwickelt, konstruiert und gebaut.
Mit dieser Prüfmaschine können Kräfte in den drei translatorischen Achsen (x, y, z) von bis 35 kN und Wege von bis zu ±60 mm gefahren werden. Zusätzlich kann um die z-Achse ein Moment von 1000 Nm bei maximal ±60 mm Verdrehwinkel aufgebracht werden.
Im Zentrum der Prüfmaschine befindet sich zur Aufnahme des Prüflings eine Plattform aus Aluminium, die mit je zwei Koppelstangen an den Hydraulikzylindern befestigt ist. Zur Ermöglichung der Querbewegungen, die aus den Verfahrwegen der Zylinder resultieren, sind die Koppelstangen mit Kreuzfedergelenken an den Enden versehen. Der Drehantrieb befindet sich über der Plattform und ist in das Querhaupt integriert, das über hydraulische Verstellzylinder in der Höhe verfahren werden kann.

Zur Erfassung der gefahrenen Wege und Winkel sind in die Hydraulikzylinder Weg- bzw. Winkelsensoren integriert. Über auf den Koppelstangen applizierte Dehnungsmeßstreifen (DMS) werden die Kräfte gemessen. Als Alternative dazu kann auch eine Sechs-Komponenten-Kraftmeßdose in den Prüfstand eingebaut werden, die insbesondere bei Prüfungen mit kleinen Kräften und Momenten und hoher Genauigkeit zum Einsatz kommt.
 
Ein vom Arbeitsbereich entwickeltes Programmsystem zur Prüfablaufssteuerung und Nachfahroptimierung übernimmt die Versuchssteuerung. Dabei wird ein Nachfahrsignal von bis zu drei Stunden Länge, das z.B. im realen Betrieb gemessen und aufgezeichnet oder auch künstlich erzeugt wurde, auf den Prüfling aufgebracht und beliebig oft wiederholt. Die Software ermöglicht sowohl einen kraft- als auch einen weggeregelten Betrieb. Um eine hohe Nachfahrgüte zu erzielen wird das Sollsignal zu Beginn der Prüfung iterativ solange verändert, bis sich die geforderten Werte am Bauteil einstellen, wodurch auch das Übersprechen der Achsen untereinander berücksichtigt wird. Verschlechtert sich im Laufe der Prüfung die Nachfahrgüte, wird automatisch eine erneute Iteration durchgeführt, um die Prüfung auf konstanten Lastniveau zu halten. Zur Bauteilüberwachung werden in regelmäßigen Abständen Hystereseschleifen in jeder Achse ermittelt und aufgezeichnet.

Prüfergebnisse
Neben den Forschungsarbeiten des Arbeitsbereiches wird die Prüfmaschine auch für Prüfaufträge aus der Industrie eingesetzt, da weltweit nur eine Hand voll Prüfmaschinen für derartige Prüfungen existieren. Bei diesen Aufträgen handelt es sich typischerweise um Betriebsfestigkeitsnachweise von Fahrzeugbauteilen, in letzter Zeit auch zunehmend von Schienenfahrzeugen.
Der planmäßige Anlauf der ICE-2 Züge der Deutschen Bahn AG mit dem Sommerfahrplan zum 24.05.98 konnte unter anderem durch Prüfungen auf dieser Maschine im vollem Umfange realisiert werden. Für die Radsatzführungsbuchsen der Drehgestelle standen mehrere sich in der konstruktiven Ausführung unterscheidende Varianten zur Auswahl. Durch zeitgeraffte Betriebslastennachfahrversuche konnten innerhalb von 10 Wochen mehrere Millionen Schienenkilometer für alle Varianten unter realen Bedingungen simuliert und die am besten geeignete Radsatzführungsbuchse rechtzeitig ausgewählt und in die Züge eingebaut werden.

Prof. Dr.-Ing. Uwe Weltin
Dr.-Ing. Eric Groß
Dipl.-Ing. Thomas Steinweger
Dipl.-Ing. Martin Flamm