DE102010034239A1

DE102010034239A1 - Device for testing fatigue strength of e.g. camshaft-flywheel of motor vehicle, has clamping segments circumferentially positioned around through-flow opening in housing and radially movable with respect to component

Info

Publication number: DE102010034239A1
Application number: DE102010034239A
Authority: DE
Inventors: Christian Cziel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-07
Filing date: 2010-08-07
Publication date: 2011-05-05

Abstract

The device has an impact shaft (2) coaxially connected with a component (1) at its end, and a drive shaft (8) connected with a drive motor (3) and an unbalance exciter. The unbalance exciter is rotatably supported at another end of the impact shaft, and a housing (4) encloses the impact shaft. A clamping device is arranged at an outer side of housing top (4') for clamping the component against the housing top. The clamping device has clamping segments (6) circumferentially positioned around a through-flow opening (5) in the housing and radially movable with respect to the component. An independent claim is also included for a method for testing fatigue strength of a rotation symmetric component.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Durchführung eines Prüfverfahrens, um die Dauerfestigkeit eines rotationssymmetrischen Bauteils zu untersuchen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dauerfestigkeitsoptimierung des rotationssymmetrischen Bauteils.The invention relates to a device and a corresponding method for carrying out a test method in order to investigate the fatigue strength of a rotationally symmetrical component. Furthermore, the invention relates to a method for fatigue strength optimization of the rotationally symmetrical component.

Rotationssymmetrische Bauteile wie Schwungräder und Zahnkranzträger werden gegenwärtig zur Untersuchung ihrer Dauerfestigkeit üblicherweise einem Prüfverfahren unterzogen, das auf einem Schleuderprüfstand durchgeführt wird, auf dem die Prüfkörper bis zur Berstdrehzahl oder einer anderen vordefinierten Drehzahl geschleudert werden. Das Bauteil lässt sich hier lediglich rein rotatorisch beanspruchen, andere Effekte wie Taumelbewegungen, wie sie bei Auftreten einer Unwucht entstehen, bleiben unberücksichtigt. Die beim Bersten solcher Bauteile wie Schwungräder und Zahnkranzträger frei werdenden Energien erfordern erhebliche Sicherheitsvorkehrungen. Weitere Messungen, um etwa Verformungen oder Spannungen am Bauteil zu erfassen, sind nur mit höchstem technischem Aufwand realisierbar.Rotationally symmetric components, such as flywheels and ring gear carriers, are currently subjected to a test procedure to test their fatigue strength, which is performed on a spin test stand on which the test specimens are spun up to the bursting speed or another predefined rotational speed. The component can be claimed purely rotationally, other effects such as wobbling, as they occur when an imbalance occurs, are disregarded. The energy released when bursting such components as flywheels and gear carriers require considerable safety precautions. Further measurements, for example to detect deformations or stresses on the component, can only be realized with the highest technical outlay.

Aus dem Stand der Technik sind zur Prüfung der Festigkeit von Felgen, beziehungsweise Rädern, Biegeumlaufvorrichtungen bekannt, bei denen ein Scheibenrad umlaufend mit einem Biegemoment beansprucht wird, das die periodisch auftretende Belastung eines Fahrzeugs simuliert.From the state of the art for testing the strength of rims, or wheels, Biegeumlaufvorrichtungen known in which a disc wheel is circumferentially claimed with a bending moment that simulates the periodic load of a vehicle.

Dazu ist beispielsweise aus der DE 299 12 389 U1 ein elektromotorischer Maulweitenausgleich an eine Biegeumlauf-Prüfmaschine bekannt, die unterschiedliche Maulweiten und Einpresstiefen nicht durch Auflegen von Ausgleichsringen auf das Maschinengehäuse ausgleicht, sondern dadurch, dass die Biegewelle formschlüssig in einer Haltehülse aufgenommen ist, und mittels einer elektromotorisch angetriebenen Spindelhubeinrichtung so verfahren werden kann, dass unterschiedliche Maulweiten und Einpresstiefen ohne Auflegen von Ausgleichsringen ausgeglichen werden.This is for example from the DE 299 12 389 U1 an electromotive Maulweitenausgleich to a bending circulation testing machine known that does not compensate for different mouth widths and Einpresstiefen by placing compensating rings on the machine housing, but in that the bending shaft is positively received in a holding sleeve, and can be moved by means of an electric motor driven Spindelhubeinrichtung so that different jaw widths and press-in depths can be compensated without applying compensating rings.

Das in der DE 33 21 827 C1 beschriebene Verfahren zur Regelung von Prüfmaschinen mit Unwuchtbelastung wird insbesondere auf den Umlaufbiegeversuch zur Betriebsfestigkeitsprüfung angewendet, um den Ist-Wert eines vorgegebenen Soll-Werts der Beanspruchung oder den Radius der Verformungskurve trotz unterschiedlicher Steifigkeit eines Prüflings über den Umfang konstant zu halten, auch wenn im Prüfling während der Prüfung Risse entstehen. Dazu werden entweder die Momente an der Belastungswelle in zwei senkrecht zueinander stehenden Schnittebenen gemessen und der Ist-Wert des jeweils wirksamen Moments ermittelt, und die Winkelgeschwindigkeit eines Schrittschaltmotors so geregelt, dass der Ist-Wert des Moments über den Umfang konstant ist. Ferner ist dort eine als Biegeumlaufmaschine bekannte Prüfvorrichtung dargestellt.That in the DE 33 21 827 C1 described method for controlling testing machines with unbalance load is applied in particular to the Umlaufbiegeversuch for durability testing to keep the actual value of a predetermined target value of the stress or the radius of the deformation curve despite varying stiffness of a DUT over the circumference constant, even if in the DUT cracks occur during the test. For this purpose, either the moments on the load shaft are measured in two mutually perpendicular sectional planes and the actual value of the respectively effective torque is determined, and the angular velocity of a stepping motor is controlled so that the actual value of the torque is constant over the circumference. Furthermore, there is shown a known as a bending machine tester.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, einen Biegeumlaufversuch nicht nur an Rädern beziehungsweise Felgen durchführen zu können, sondern eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine entsprechende Dauerfestigkeitsprüfung für ein beliebiges rotationssymmetrisches Bauteil durchgeführt werden kann, um somit Komponenten wie Schwungräder und Zahnkranzträger hinsichtlich der Auswirkungen von Effekten zu prüfen, wie sie im Motor-/Fahrzeugbetrieb auftreten.Starting from this prior art, it is desirable to be able to carry out a bending circulation test not only on wheels or rims, but to provide a device with which a corresponding fatigue strength test for any rotationally symmetric component can be carried out, thus components such as flywheels and sprocket carrier in terms of Effects of effects as they occur in engine / vehicle operation.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Dauerfestigkeitsprüfung eines rotationssymmetrischen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device for fatigue strength testing of a rotationally symmetrical component with the features of claim 1.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Dauerfestigkeitsprüfung eines rotationssymmetrischen Bauteils, das nicht nur einen Gewaltbruch bei einer Berstdrehzahl produziert, sondern auch weitergehende Dauerfestigkeitsuntersuchungen zulässt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.Another object is to provide a method of fatigue strength testing of a rotationally symmetric component which not only produces a burst of force at a bursting speed, but also permits further fatigue strength testing. This object is achieved by a method having the features of claim 7.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Optimierung des rotationssymmetrischen Bauteils hinsichtlich seiner Dauerfestigkeit zu gestatten, was durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 ermöglicht wird.Furthermore, an object of the invention is to allow an optimization of the rotationally symmetrical component with respect to its fatigue strength, which is made possible by the method having the features of claim 9.

Weiterbildungen der jeweiligen Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the respective objects are set forth in the subclaims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dauerfestigkeitsprüfung eines rotationssymmetrischen Bauteils beinhaltet eine Belastungswelle, die an einem ersten Ende mit dem zu prüfenden Bauteil koaxial verbunden ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Antriebswelle, die vorzugsweise mit jeweils einem Kreuzgelenk an den Enden ausgebildet ist, die einenends mit einem Antriebsmotor und anderenends mit einem Unwuchterreger verbunden ist. Der Unwuchterreger ist mit einer Nabe auf einem zweiten Ende der Belastungswelle axial drehbar gelagert. Durch die Rotation des Unwuchterzeugers auf der Belastungswelle induziert dieser in der Belastungswelle eine radial nach außen gerichtete Kraft, die zu einer Kreisbewegung des freien Endes der Belastungswelle, also des Endes, auf dem der Unwuchterzeuger gelagert ist, führt. Diese Kraft wird auf den Prüfkörper, bzw. das zu prüfende Bauteil übertragen und entspricht der Kraft, die sonst im Realbetrieb eine Taumelbewegung des Bauteils verursacht. Die Kreuzgelenke der Antriebswelle folgen der Kreisbewegung der Belastungswelle, so dass keine zusätzlichen Verspannungen oder Torsionsmomente auftreten, die das Prüfergebnis verfälschen können. Gleichzeitig wird dadurch die Langzeithaltbarkeit der Antriebswelle und des Unwuchterzeugers gewährleistet.A device according to the invention for the fatigue strength test of a rotationally symmetrical component includes a loading shaft, which is connected coaxially at a first end to the component to be tested. Furthermore, the device comprises a drive shaft, which is preferably formed with a respective universal joint at the ends, which is connected at one end to a drive motor and the other end to an unbalance exciter. The unbalance exciter is axially rotatably mounted with a hub on a second end of the loading shaft. By the rotation of the unbalance generator on the load shaft this induces in the load shaft, a radially outwardly directed force, which leads to a circular movement of the free end of the load shaft, ie the end on which the unbalance generator is mounted. This force is transmitted to the test piece, or the component to be tested and corresponds to the force that would otherwise cause a tumbling motion of the component in real operation caused. The universal joints of the drive shaft follow the circular movement of the load shaft, so that no additional tension or torsional moments occur that can falsify the test result. At the same time this ensures the long-term durability of the drive shaft and the unbalance generator.

Die Belastungswelle ist von einem Gehäuse umgeben, wobei in der Gehäusedecke eine Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, durch die das erste Ende der Belastungswelle gemeinsam mit dem am ersten Ende befestigte Bauteil ragt. An der Außenseite der Gehäusedecke ist eine Spannvorrichtung angeordnet, mittels derer das Bauteil gegen die Gehäusedecke gespannt werden kann.The loading shaft is surrounded by a housing, wherein in the housing cover a passage opening is provided, through which the first end of the loading shaft projects together with the component attached to the first end. On the outside of the housing cover a clamping device is arranged, by means of which the component can be clamped against the housing cover.

Damit nun nicht nur Felgen beziehungsweise Räder auf ihre Festigkeit geprüft werden können, sondern ein beliebiges rotationssymmetrisches Bauteil, wie insbesondere auch Kraftfahrzeugkomponenten wie Schwungräder bei Kurbelwellen oder Zahnkranzträger, umfasst die Spannvorrichtung mehrere Spannsegmente, die umfänglich um die Durchtrittsöffnung positioniert sind, wobei sie radial auf der Gehäusedecke gegen das Bauteil verfahren werden können, so dass das Bauteil von diesen Segmenten eingeklemmt wird. Durch diese umfangseitige Umgreifung wird eine wirkungsvolle und gleichmäßige Einspannung erreicht, wodurch die Abhängigkeit der Prüfergebnisse durch die Einspannung reduziert wird.So that now not only rims or wheels can be tested for their strength, but any rotationally symmetric component, in particular also motor vehicle components such as flywheels crankshafts or ring gear, the clamping device comprises a plurality of clamping segments which are circumferentially positioned around the passage opening, wherein they are radially on the Housing cover can be moved against the component, so that the component is clamped by these segments. An effective and uniform clamping is achieved by this circumferential gripping, whereby the dependence of the test results is reduced by the clamping.

In der gegen das Bauteil verfahrenen Anordnung können die Spannsegmente vorteilhaft eine Aufnahmemulde bilden, deren Kontur exakt derjenigen des eingespannten Bauteils entspricht, so dass dieses formschlüssig umgriffen wird. Dazu weist jedes der Spannsegmente an der dem Bauteil zugewandten Seite eine Konturierung auf, die der dem Segment entsprechenden Kontur des Bauteils entspricht. Damit ist es vorteilhaft erlässlich, dass das Bauteil einen Flansch oder eine ähnliche, zur Halterung geeignete Komponente aufweist.In the arrangement moved against the component, the clamping segments can advantageously form a receiving trough whose contour corresponds exactly to that of the clamped component, so that it is encompassed in a form-fitting manner. For this purpose, each of the clamping segments on the side facing the component to a contouring, which corresponds to the segment corresponding contour of the component. Thus, it is advantageous that the component has a flange or a similar component suitable for mounting.

Um das Bauteil an der Stirnseite abzustützen und axial gegen die Segmente zu pressen, damit die Verspannung verbessert wird, können die Spannsegmente mit Halterungen versehen sein, die Schraubhalterungen sein können. Diese ragen von den Halterungen radial nach innen über die Stirnseite des Bauteils und liegen dort an.To support the component at the end face and to press axially against the segments, so that the tension is improved, the clamping segments can be provided with brackets, which can be screw mounts. These protrude from the brackets radially inwardly over the front side of the component and are there.

Die Vorrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform so gestaltet sein, dass die Belastungswelle sowohl horizontal als auch vertikal zu liegen kommt. Dazu kann die Vorrichtung mit einer Schwenkvorrichtung ausgestattet sein, so dass sie in eine geneigte Positionierung gekippt werden kann. Die horizontale Anordnung der Belastungswelle hat den Vorteil, dass bei schweren Wellen deren Eigengewicht kaum mehr Einfluss auf die Prüfergebnisse nehmen kann.In another embodiment, the device may be designed such that the loading shaft comes to lie both horizontally and vertically. For this purpose, the device may be equipped with a pivoting device, so that it can be tilted in an inclined position. The horizontal arrangement of the load shaft has the advantage that in heavy waves whose own weight can hardly influence the test results.

Der Unwuchterreger kann ein Körper sein, dessen Massenanordnung in Bezug zur Belastungswelle radial und axial veränderbar ist. Die radiale Veränderung kann durch eine mehrteilige Ausbildung des Körpers bewerkstelligt sein, wobei ein Körperbauteil auf der Belastungswelle angeordnet ist, während ein vom ihm radial abragender und eine Verschiebevorrichtung bildender Gewindebolzen ein Zusatzkörperbauteil mit Innengewinde trägt, so dass dieses auf dem Gewindebolzen durch eine einfache Schraubbewegung definiert und an jeder beliebigen Stelle positioniert werden kann. Alternativ kann der Unwucht-Erreger durch einen oder mehrere ansteuerbare Piezo-Aktuatoren realisiert werden, die in gewichts- und bauraumsparender Weise die Welle mehr oder minder stark, je nach Ansteuerung, die Belastungswelle derart auslenken, dass deren freies Ende eine Kreisbewegung oder elliptische Bewegung ausführt.The unbalance exciter may be a body whose mass arrangement is radially and axially variable with respect to the load shaft. The radial change can be accomplished by a multi-part design of the body, wherein a body member is disposed on the load shaft, while a radially projecting from him and a displacement forming threaded bolt carries a Zusatzkörperbauteil with internal thread, so that this defined on the threaded bolt by a simple screwing and can be positioned anywhere. Alternatively, the unbalance exciter can be realized by one or more controllable piezoactuators, which deflect the shaft in a manner that saves weight and space, depending on the control, such that its free end performs a circular movement or an elliptical movement ,

Durch die erfindungemäße Spannvorrichtung mit den an das Bauteil angepassten und daran verfahrbaren Spannsegmenten ist die Vorrichtung geeignet, auch Bauteile wie ein Schwungrad oder ein Zahnkranzträger, generell alle rotationssymmetrische Bauteile, die keinen Flansch oder ähnliche Spannflächen besitzen oder deren Flächen für einen Belastungstest zu klein sind, einem Biegeumlauftest zu unterziehen.By means of the clamping device according to the invention with the clamping segments adapted to the component and movable thereon, the device is also suitable, also components such as a flywheel or a toothed ring carrier, generally all rotationally symmetrical components which have no flange or similar clamping surfaces or whose surfaces are too small for a load test, to undergo a bending cycle test.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Dauerfestigkeitsprüfung eines rotationssymmetrischen Bauteils wird auf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt und umfasst zunächst das Befestigen des Bauteils an dem das Gehäuse durchragenden Ende der Belastungswelle, woraufhin das radiale Verfahren der Spannsegmente gegen das Bauteil erfolgt, um die Spannsegmente in Spanneingriff mit dem Bauteil zu bringen. Nun wird ein Biegeumlauftest bis zu einem Versagen des Bauteils durchgeführt, indem das Bauteil wechselweise mit Last beaufschlagt wird. Dabei wird die Anzahl der bis zum Bauteilversagen durchgeführten Umläufe der Antriebswelle festgestellt, die ein Maß für die Dauerfestigkeit des Bauteils sind. Die Aussagen über die Dauerfestigkeit von Komponenten, wie etwa einem Schwungrad bei einer Kurbelwelle, können nun exakter erfolgen, da sie den Normalbetrieb der Kurbelwelle nachbilden, an der die mit Unwucht rotierende Bewegung, also eine Taumelbewegung des Schwungrads aufgrund der unterschiedlichen Zündzeitpunkte der Zylinder erfolgt.An inventive method for fatigue testing a rotationally symmetrical component is performed on a device according to the invention and comprises first attaching the component to the housing projecting end of the loading shaft, whereupon the radial movement of the clamping segments against the component takes place to the clamping segments in clamping engagement with the component bring. Now a Biegeumlauftest is carried out to a failure of the component by the component is alternately loaded with load. In this case, the number of revolutions of the drive shaft performed until the component failure is detected, which are a measure of the fatigue strength of the component. The statements about the fatigue strength of components, such as a flywheel in a crankshaft, can now be done more accurately, since they simulate the normal operation of the crankshaft at which the imbalance rotating movement, ie a wobbling motion of the flywheel takes place due to the different ignition timing of the cylinder.

Es ist auch denkbar, in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, die Spannungsausprägung in dem Bauteil kontinuierlich zu überwachen und so weitere Aussagen über den Zustand des Prüfkörpers während der Belastung bis zum Bauteilversagen zu treffen. Dies ist mit geringem technischen Aufwand möglich, indem entweder an dem Bauteil Dehnungsmessstreifen platziert werden, oder indem die Spannungsausprägung durch optische Messmethoden erfasst wird, wobei beispielsweise ein polarisationsoptisches Erfassungsmittel zum Einsatz kommen kann, und so ein genaues Bild über den Versagensverlauf treffen zu können.It is also conceivable, in a further embodiment of the method, to continuously monitor the stress characteristic in the component and thus to make further statements about the condition of the component Test specimen during loading to meet the component failure. This is possible with little technical effort by either strain gauges are placed on the component, or by the voltage characteristic is detected by optical measurement methods, for example, a polarization-optical detection means can be used, and so to be able to make a precise picture of the failure history.

Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf die Optimierung der Dauerfestigkeit eines rotationssymmetrischen Bauteils, bei dem ein Simulationsprogramm verwendet wird, das den Biegeumlauftest des Bauteils simuliert. Des Weiteren wird in dem Verfahren eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dauerfestigkeitsprüfung verwendet. Das Optimierungsverfahren umfasst nun zunächst das Durchführen des Dauerfestigkeitsprüfverfahrens für mehrere Bauteile, wobei die Last, mit der die Bauteile jeweils beaufschlagt werden, variiert wird. Aus den erhaltenen Wertepaaren, der Anzahl der Umläufe der Antriebswelle oder des Unwuchterregers bis zum Bauteilversagen des Prüfkörpers sowie die einwirkende Last, kann nun eine bauteilspezifische Dauerfestigkeitskennlinie erstellt werden. Nun kann eine durch das Simulationsprogramm berechnete Dauerfestigkeitskennlinie mit der erstellten Dauerfestigkeitskennlinie verglichen werden und das Simulationsprogramm, falls die berechneten von den experimentell bestimmten Werten abweichen, mittels letzterer angepasst werden, woraufhin das Simulationsprogramm auf Basis verschiedener Werkstoffdaten für das Bauteil ausgeführt werden kann, so dass verschiedene werkstoffabhängige simulierte Dauerfestigkeitskennlinien erhalten werden. Diese können verglichen werden, woraufhin ein hinsichtlich der Dauerfestigkeit optimierter Werkstoff für das Bauteil ausgewählt werden kann.Another method relates to the optimization of the fatigue strength of a rotationally symmetrical component using a simulation program that simulates the component's bending cycle test. Furthermore, a device according to the invention for fatigue testing is used in the method. The optimization method now comprises first performing the fatigue strength test method for a plurality of components, wherein the load, with which the components are each acted upon, is varied. From the pairs of values obtained, the number of revolutions of the drive shaft or the unbalance exciter to the component failure of the specimen and the applied load, a component-specific fatigue strength curve can now be created. Now a fatigue curve calculated by the simulation program can be compared with the created fatigue curve and the simulation program, if the calculated deviate from the experimentally determined values, can be adapted by the latter, whereupon the simulation program can be executed on the basis of different material data for the component, so that different Material-dependent simulated fatigue strength curves are obtained. These can be compared, whereupon an optimized with respect to fatigue strength material for the component can be selected.

Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zur Dauerfestigkeitsoptimierung involviert den Verlauf der Spannungsausprägung in dem Bauteil während des Biegeumlauftests. Hierzu wird während der Durchführung des Prüfverfahrens unter Variation der Last an einer Vielzahl von Bauteilen jeweils der Verlauf der Spannungsausprägung in Bezug auf die einwirkende Last überwacht. Nun wird kontrolliert, ob ein durch das Simulationsprogramm berechneter Spannungsverlauf mit dem überwachten Spannungsverlauf übereinstimmt, und, falls dies nicht der Fall ist, wird das Simulationsprogramm mittels des überwachten Spannungsverlaufs angepasst. Das Simulationsprogramm kann dann auf Basis sowohl verschiedener Werkstoffdaten für das Bauteil, als auch auf Basis eines hinsichtlich seiner Konstruktion abgewandelten Bauteils ausgeführt werden, so dass simulierte Spannungsverläufe erhalten werden, die von dem Werkstoff, beziehungsweise der Konstruktion abhängig sind. Die so erhaltenen simulierten Spannungsverläufe werden verglichen, woraufhin ein Werkstoff und/oder eine Konstruktion für das Bauteil ausgewählt wird, so dass die Dauerfestigkeit hinsichtlich des Spannungsverlaufs optimiert ist.Another embodiment of the method of fatigue strength optimization involves the development of the stress characteristic in the component during the bending circulation test. For this purpose, while the test method is being carried out, the variation of the load on a large number of components is monitored in each case for the course of the voltage characteristic with respect to the applied load. It is now checked whether a voltage curve calculated by the simulation program agrees with the monitored voltage curve and, if this is not the case, the simulation program is adapted by means of the monitored voltage curve. The simulation program can then be carried out based on both different material data for the component, as well as on the basis of a modified component with respect to its construction, so that simulated voltage profiles are obtained, which are dependent on the material, or the construction. The simulated voltage profiles thus obtained are compared, whereupon a material and / or a construction is selected for the component, so that the fatigue strength with respect to the voltage profile is optimized.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures.

Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigt:Showing:

1 eine perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 a partial perspective sectional view of an embodiment of the device according to the invention,

2 eine beispielhafte Dauerfestigkeitskennlinie. 2 an exemplary fatigue characteristic.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Biegeumlaufvorrichtung, um die Dauerfestigkeit eines beliebigen rotationssymmetrischen Bauteils, insbesondere auch von Kurbelwellen-Schwungrädern und Zahnkranzträgern, die bislang einem Biegeumlauftest nicht unterzogen werden konnten, zu prüfen.The invention relates to a Biegeumlaufvorrichtung to the fatigue strength of any rotationally symmetrical component, in particular also of crankshaft flywheels and sprocket carriers, which could not be subjected to a bending cycle test so far to examine.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, in der die von einem Antriebsmotor 3 angetriebene Antriebswelle 8 vertikal orientiert ist und von dem Gehäuse 4 umgeben wird. Die Antriebswelle 8 weist an ihren beiden Enden jeweils ein Kreuzgelenk 9 auf, wobei das eine mit dem Motor 3 und das andere mit einem Unwuchterreger 10 verbunden ist. Der Unwuchterreger 10 ist auf einer mit der Antriebswelle 8 fluchtenden Belastungswelle 2 drehbar gelagert. Die Belastungswelle 2, die weitestgehend ebenfalls im Gehäuse 4 angeordnet ist, durchragt das Gehäuse 4 an einer Durchtrittsöffnung 5 in der Gehäusedecke 4', so dass das zu prüfende Bauteil 1 am Ende der Belastungswelle koaxial befestigt werden kann. 1 shows a device according to the invention, in which by a drive motor 3 driven drive shaft 8th is oriented vertically and from the housing 4 is surrounded. The drive shaft 8th has at its two ends in each case a universal joint 9 on, with the one with the engine 3 and the other with an unbalance exciter 10 connected is. The unbalance exciter 10 is on one with the drive shaft 8th aligned load wave 2 rotatably mounted. The stress wave 2 , most of them also in the case 4 is arranged, passes through the housing 4 at a passage opening 5 in the housing cover 4 ' so that the component to be tested 1 can be attached coaxially at the end of the loading shaft.

Die Spannvorrichtung der erfindungsgemäßen Biegeumlaufvorrichtung umfasst mehrere Spannsegmente 6, die umfänglich um die Durchtrittsöffnung 5 positioniert, und hier in 1 in der radial gegen das Bauteil verfahrenen Anordnung, dargestellt sind.The tensioning device of the bending-circulation device according to the invention comprises a plurality of tensioning segments 6 , which circumferentially around the passage opening 5 positioned, and here in 1 are shown in the radially against the component moved arrangement.

Dazu kann die Vorrichtung für jedes Spannsegment 6 eine Einrichtung zum radialen Verfahren umfassen, etwa eine Führungsschiene oder ähnliches, auf der ein Spannsegment 6 verschoben wird, bis es in Spanneingriff mit dem Bauteil 1 tritt. Dazu können entsprechende Vorschubmittel, Spann- oder Rastmittel umfasst sein. Mit Hilfe der Spannsegmente 6, die, wie in 1 dargestellt, an ihrer dem Bauteil 1 zugewandten Seite eine Kontur aufweisen, die der Kontur des Bauteils entspricht, kann dieses formschlüssig umgriffen und wirkungsvoll und gleichmäßig eingespannt werden. Dabei können auch Bauteile ohne Flansch oder Spannflächen oder auch Bauteile, deren Flächen für einen Belastungstest zu klein sind, wie etwa Kurbelwellen-Schwungräder oder Zahnkranzträger, einem Dauerfestigkeitstest auf der Biegeumlaufvorrichtung unterzogen werden, in der die Belastungen nachgebildet werden, die durch den Motorbetrieb hervorgerufen werden.For this purpose, the device for each clamping segment 6 a device for radial method, such as a guide rail or the like, on which a clamping segment 6 is moved until it is in clamping engagement with the component 1 occurs. For this purpose, corresponding feed means, clamping or locking means may be included. With the help of clamping segments 6 that, as in 1 represented on her the component 1 facing side have a contour that corresponds to the contour of the component, this can be positively embraced and effectively and evenly clamped. In this case, components without flange or clamping surfaces or even components whose surfaces are too small for a load test, such as crankshaft flywheels or sprocket carriers, a fatigue test on the bending machine can be subjected, in which the loads are produced, which are caused by the engine operation ,

Um verschiedene rotationssymmetrische Bauteile mit der Vorrichtung untersuchen zu können, können die Spannsegmente austauschbar sein, und jeweils ein Spannsegmenteset eingesetzt werden, dessen durch die Konturierung gebildete Aufnahmemulde dem jeweiligen zu prüfenden Bauteil entspricht.To be able to examine different rotationally symmetrical components with the device, the clamping segments can be exchangeable, and in each case a Spannsegmenteset be used, the receiving cavity formed by the contouring corresponds to the respective component to be tested.

Ferner können die Spannsegmente 6 mit Schrauben befestigbare Halter 7 aufweisen, die das Bauteil 1 an seiner Stirnseite abstützen und axial in die von den Spannsegmenten 6 gebildete Ausnehmung pressen.Furthermore, the clamping segments 6 fastened with screws holder 7 have the component 1 supported on its front side and axially in the of the clamping segments 6 press formed recess.

Die gesamte Vorrichtung wie sie in 1 dargestellt ist, kann mittels einer Schwenkeinrichtung auch kippbar ausgebildet sein, um beispielsweise die Belastungswelle auch horizontal anordnen zu können, falls dies erwünscht ist.The entire device as in 1 is shown, by means of a pivoting device may also be formed tiltable, for example, to order the load shaft horizontally, if desired.

Der Unwuchterreger 10 kann ein Körper sein, dessen Massenanordnung in Bezug zur Belastungswelle 2 radial und axial, insbesondere mittels einer Verschiebevorrichtung, veränderbar ist. Zur radialen Veränderung der Anordnung kann der Unwuchterreger 10 mehrteilig ausgebildet sein, wobei ein Körperbauteil 11 auf der Belastungswelle 2 drehbar gelagert ist, welches rotationssymmetrisches ist und an seinem Umfang im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen radial abstehenden Schraubbolzen 12 trägt. Auf diesem Schraubbolzen 12 ist ein hülsenförmiger Zusatzkörperbauteil 13 angeordnet, der entlang der Bolzenachse schraubbar ist.The unbalance exciter 10 may be a body whose mass arrangement in relation to the load wave 2 radially and axially, in particular by means of a displacement device, is variable. For radial change of the arrangement of the unbalance exciter 10 be formed in several parts, wherein a body component 11 on the load wave 2 is rotatably mounted, which is rotationally symmetrical and at its periphery in the present embodiment, a radially projecting bolt 12 wearing. On this bolt 12 is a sleeve-shaped additional body component 13 arranged, which is screwed along the bolt axis.

Die Unwucht kann aber durch Piezo-Aktoren erzeugt werden, die am freien Ende der Belastungswelle 2 angeordnet werden und dieses mehr oder weniger, je nach Ansteuerung auslenken können.The imbalance can be generated by piezo actuators, which are at the free end of the load wave 2 can be arranged and deflect this more or less, depending on the control.

Zur Durchführung des Biegeumlaufversuchs wird zunächst das Bauteil 1 auf der Belastungswelle 2 befestigt und mittels der Spannsegmente 6 und gegebenenfalls der Halter 7 gegen die Gehäusedecke 4' verspannt. Die Belastungswelle 2 ist somit am Gehäuse 4 über die Spannsegmente 6 festgelegt. Bei Inbetriebnahme des Antriebmotors 3 rotiert die mit ihm verbundene Antriebswelle 8 und den an dieser befestigten Unwuchterreger 10. Durch die Erregung einer Unwucht in die Belastungswelle 2, auf der der Unwuchterreger 10 drehbar gelagert ist, wird dessen freies Ende ausgelenkt und zu Kreisschwingungen angeregt, da das andere Ende am Gehäuse 4 aufgrund der Einspannung drehfest festgelegt ist. Die Unwucht und die Schwingungserregung bilden den Normalbetrieb der Kurbelwelle und die dabei ausgeführte Taumelbewegung des Schwungrades nach, welche aufgrund der unterschiedlichen Zündzeitpunkte der einzelnen Zylinder erfolgt.To carry out the Biegeumlaufversuchs initially the component 1 on the load wave 2 attached and by means of the clamping segments 6 and optionally the holder 7 against the housing cover 4 ' braced. The stress wave 2 is thus on the housing 4 over the clamping segments 6 established. When commissioning the drive motor 3 rotates the drive shaft connected to it 8th and attached to this unbalance exciter 10 , By the excitement of an imbalance in the load wave 2 on which the unbalance exciter 10 is rotatably mounted, the free end is deflected and excited to circular oscillations, since the other end to the housing 4 is fixed against rotation due to the clamping. The imbalance and the vibration excitation form the normal operation of the crankshaft and the case performed wobbling motion of the flywheel, which takes place due to the different ignition timing of each cylinder.

Die Einspannung des Bauteils durch die Spannsegmente verhindert eine Bewegung des Bauteils 1, wodurch sich Spannungen im Bauteil 1 aufbauen. Während der Durchführung eines Biegeumlauftests wird das Bauteil 1 so lange konstant belastet, bis das Bauteil versagt und zerbricht. Die Anzahl der bis zum Bauteilversagen durchgeführten Umläufe der Antriebswelle 8 bildet ein Maß für die Festigkeit des Bauteils 1. Diese hängt von der variierbaren Frequenz der Antriebswelle 8 und der Amplitude des ausgelenkten Endes der Belastungswelle 2 ab.The clamping of the component by the clamping segments prevents movement of the component 1 , which causes stresses in the component 1 build up. While performing a Biegeumlauftests the component 1 Constantly loaded until the component fails and breaks. The number of revolutions of the drive shaft up to the component failure 8th forms a measure of the strength of the component 1 , This depends on the variable frequency of the drive shaft 8th and the amplitude of the deflected end of the loading shaft 2 from.

Um nun das Bauteil 1 hinsichtlich seiner Dauerfestigkeit optimieren zu können, kann ein Simulationsprogramm verwendet werden, das einen solchen Biegeumlauftest des Bauteils 1 simuliert. Ausgehend von Eingabegrößen, die Konstruktion und Werkstoff des Bauteils 1 umfassen, führt das Simulationsprogramm Berechnungen aus, denen theoretische Annahmen und Randbedingungen zugrunde gelegt werden. In Abhängigkeit dessen wird bei Eingabe einer bestimmten Belastung eine Anzahl an Umläufen der Antriebswelle bis zum Bauteilversagen berechnet, die durch experimentelle Werte überprüft werden muss. Dazu wird das erfindungsgemäße Dauerfestigkeitsprüfungsverfahren mit einer Vielzahl von Bauteilen 1 auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, wobei die auf das Bauteil 1 wirkende Last variiert wird, so dass die Bauteile 1 abhängig von der auf sie wirkenden Last nach einer unterschiedlichen Anzahl von Umläufen der Antriebswelle 8 versagen.To now the component 1 With regard to its fatigue strength, it is possible to use a simulation program which performs such a bending cycle test of the component 1 simulated. Based on input variables, the design and material of the component 1 include, the simulation program performs calculations based on theoretical assumptions and boundary conditions. Depending on this, when entering a certain load, a number of revolutions of the drive shaft are calculated up to the component failure, which must be checked by experimental values. For this purpose, the fatigue strength test method according to the invention with a plurality of components 1 performed on the device according to the invention, wherein the on the component 1 acting load is varied so that the components 1 depending on the load acting on it after a different number of revolutions of the drive shaft 8th to fail.

Aus den Wertepaaren von der Anzahl der Umläufe und wirkender Last lässt sich eine Bauteil spezifische Dauerfestigkeitskennlinie erstellen, die mit einer berechneten Dauerfestigkeitskennlinie des Simulationsprogramms vergleichen werden kann. Alternativ können auch die erfassten und berechneten Umlaufzahlen verglichen werden.From the pairs of values of the number of revolutions and effective load, a component-specific fatigue strength characteristic curve can be created, which can be compared with a calculated fatigue strength characteristic of the simulation program. Alternatively, the recorded and calculated circulation numbers can also be compared.

Eine solche Dauerfestigkeitskennlinie, auch Wählerlinie genannt, ist in 2 dargestellt, in der die Last und die Anzahl der Umläufe bis zum Bauteilversagen doppel-logarithmisch aufgetragen sind. K ist der Bereich der Kurzfestigkeit unterhalb von 10⁴ bis 10⁵ Schwingungen. Z ist der Bereich der Zeitfestigkeit und verläuft in der doppel-logarithmischen Darstellung nahezu gerade und liegt zwischen 10⁴ und materialabhängig 2 mal 10⁶ Schwingspielen. Mit D schließt sich der sogenannte Dauerfestigkeitsbereich ein, der oberhalb etwa 1 bis 5 mal 10⁶ Schwingspielen liegt.Such a fatigue strength characteristic, also called selector line, is in 2 in which the load and the number of revolutions up to the component failure are plotted twice logarithmically. K is the range of short-term strength below 10 ⁴ to 10 ⁵ vibrations. Z is the range of fatigue strength and runs in the double logarithmic Presentation almost straight and is between 10 ⁴ and depending on the material 2 times 10 ⁶ swinging games. With D closes the so-called fatigue range, which is above about 1 to 5 times 10 ⁶ swing games.

Wird beim Vergleich der berechneten und erstellten Dauerfestigkeitskennlinie, beziehungsweise der berechneten und festgestellten Anzahl der Umläufe bzw. der Umdrehungen der Antriebswelle keine Übereinstimmung festgestellt, wird das Simulationsprogramm mittels der erstellten Dauerfestigkeitslinie, beziehungsweise der festgestellten Anzahl der Umläufe angepasst, bis die berechneten Daten mit den realen, im Experimente gefundenen Versuchsergebnissen möglichst übereinstimmen. Das so angepasste Simulationsprogramm kann dann verwendet werden, den Biegeumlauftest des Bauteils bei Einsatz verschiedener Werkstoffe zu simulieren, so dass je nach Anforderung, beispielsweise Leichtbau in Verbindung mit Stabilität, der geeignete Werkstoff für das Bauteil gefunden werden kann.If no match is found in the comparison of the calculated and created fatigue curve, or the calculated and determined number of revolutions or revolutions of the drive shaft, the simulation program is adjusted by means of the established fatigue strength line, or the number of revolutions determined until the calculated data with the real to match as closely as possible the experimental results found in the experiment. The thus adapted simulation program can then be used to simulate the bending cycle test of the component when using different materials, so that depending on the requirements, such as lightweight construction in conjunction with stability, the appropriate material for the component can be found.

Ferner ist es denkbar, die Spannungsausprägung während des Biegeumlauftests kontinuierlich zu überwachen, dies kann entweder mittels Dehnmessstreifen erfolgen, die auf elektrischer oder optischer Erfassung der am Dehnmessstreifen hervorgerufenen Verformungen basieren, alternativ oder zusätzlich können auch optische Messmethoden, insbesondere durch ein polarisations-optisches Erfassungsmittel zur Anwendung kommen. Hierdurch erhält man ein genaues Bild über den Versagensverlauf, so dass ein auszulegendes Bauteil hinsichtlich konstruktiver oder werkstofftechnischer Art gezielt zur Erhöhung der Dauerfestigkeit geschaffen werden kann, indem der Spannungsverlauf analog der Umläufeanzahl, respektive der Dauerfestigkeitskennlinie in das Simulationsprogramm miteinbezogen wird. So besteht die Möglichkeit, zusätzliche Messtechnik auf dem Prüfkörper zu installieren, um die dort während des Versuchs entstehenden Verformungen und Spannungen zu messen. Ferner lässt sich die Auswirkung der Schraubenvorspannung in den Versuch einbringen.Furthermore, it is conceivable to continuously monitor the stress characteristic during the bending cycle test, this can be done either by means of strain gauges based on electrical or optical detection of the strain gauge induced deformations, alternatively or additionally, optical measuring methods, in particular by a polarization-optical detection means for Application come. This gives an accurate picture of the failure process, so that a component to be interpreted can be created in terms of constructive or material technology specifically to increase the fatigue strength by the voltage curve is included analogous to the number of turns, respectively the fatigue strength curve in the simulation program. Thus, it is possible to install additional measuring technology on the test specimen in order to measure the deformations and stresses arising there during the test. Furthermore, the effect of the screw bias can be incorporated into the experiment.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 29912389 U1 [0004]
DE 3321827 C1 [0005]

Claims

Device for the fatigue strength test of a rotationally symmetrical component ( 1 ), which - a load wave ( 2 ), which at a first end with the component ( 1 ) is coaxially connected, - a preferably formed with a respective universal joint at the ends of the drive shaft ( 8th ), which at one end with a drive motor ( 3 ) and the other end is connected to an unbalance exciter, the unbalance exciter having a hub on a second end of the load wave ( 2 ) is rotatably mounted, - a housing ( 4 ), which is the load wave ( 2 ) and the one passage opening ( 5 ) in a housing cover ( 4 ' ), through which the first end of the load wave ( 2 ), - and one on an outer side of the housing cover ( 4 ' ) arranged tensioning device for bracing the component ( 1 ) against the housing cover ( 4 ' ), characterized in that the clamping device comprises a plurality of clamping segments ( 6 ) which circumferentially around the passage opening ( 5 ) and radially against the component ( 1 ) are arranged movable.

Device according to claim 1, characterized in that the clamping segments ( 6 ) on one of the components ( 1 ) facing side have a contour that a contour of the component ( 1 ) corresponds.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the clamping segments ( 6 ) Brackets ( 7 ), in particular fastened by a screw mountings holders ( 7 ), which over an end face of the component ( 1 ) and on the front side of the component ( 1 ) coming to plant.

Device according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the device comprises a pivoting device for inclined positioning.

Device according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the unbalance exciter - is a body whose mass arrangement in relation to the load wave ( 2 ) is radially and axially, in particular by means of a displacement device, changeable, or is formed by one or more controllable Piezoaktuatoren.

Device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the component ( 1 ) is a flywheel or a sprocket carrier.

Method for testing the fatigue strength of a rotationally symmetrical component ( 1 ) using a device according to at least one of claims 1 to 6, comprising the steps: - coaxial fastening of the component ( 1 ) at a first end of the load wave ( 2 ), - method of clamping segments ( 6 ) radially against the component ( 1 ) and in clamping engagement bringing the clamping segments ( 6 ), - Performing a bending cycle test until failure of the component ( 1 ) by applying load to the component ( 1 ), - detecting a number of revolutions of the drive shaft carried out up to the component failure ( 8th ).

Method according to claim 7, comprising the step of monitoring a progression of a stress characteristic in the component ( 1 ) during the bending cycle test by - at least one on the component ( 1 ) arranged strain gauges and / or - optical detection means, in particular by a polarization-optical detection means.

Method for improving the fatigue strength of a rotationally symmetrical component ( 1 ) using a device according to at least one of claims 1 to 6 and a bending cycle test of the component ( 1 ) simulating simulation program, comprising the steps: - performing the method according to claim 7 or 8 while varying the alternating load with a plurality of components ( 1 and determining a component-specific fatigue strength characteristic which comprises the number of revolutions of the drive shaft up to the component failure with respect to the applied load, checking whether a fatigue strength characteristic calculated by the simulation program agrees with the determined fatigue limit characteristic, if not, adapting the simulation program by means of certain fatigue strength characteristic, - execution of the simulation program on the basis of various material data for the component and obtaining material-dependent simulated fatigue characteristics, - comparing the material-dependent simulated fatigue characteristics and selecting a fatigue strength optimized material for the component.

Method according to claim 9, comprising the steps: during the performance of the method according to claim 7 or 8 while varying the load with a multiplicity of components ( 1 ) Monitoring the progression of the voltage characteristic with respect to the applied load. - Checking whether a voltage curve calculated by the simulation program matches the voltage profile monitored voltage waveform, if not, - adapting the simulation program by means of the monitored voltage curve, - executing the simulation program based on various material data for the component and / or on the basis of a modified construction component and obtaining material and / or construction-dependent simulated voltage curves, - Compare the material and / or construction-dependent simulated voltage curves and selecting a material and / or a construction for the component whose fatigue strength is optimized in terms of the voltage curve.