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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Schwingfestigkeit eines Bauteils aufweisend einen Aktuator, mit dem das Bauteil einer zyklischen Belastung aussetzbar ist, und einen Sensor zur Messung eines Antwortsignals auf die zyklische Belastung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen der Schwingfestigkeit eines Bauteils wobei das Bauteil einer zyklischen Belastung ausgesetzt wird und ein Antwortsignal auf die zyklische Belastung gemessen wird.
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Im Bereich der Bauteilprüfung werden derartige Vorrichtungen typischerweise dazu eingesetzt, die Auswirkungen wiederkehrender Belastungen auf Bauteile zu bestimmen sowie die Grenzen deren Festigkeit unter solchen Belastungen zu ermitteln. Das zu testende Bauteil wird dabei einer zyklischen Belastung ausgesetzt, beispielsweise einer wiederkehrenden Zug- oder Druckbelastung, Biegung, Torsion oder einem Querkraftschub. Während der Belastung wird ein Antwortsignal des Bauteils auf die Belastung gemessen. Zur Bestimmung der Anzahl von zyklischen Belastungen bis zur Materialermüdung wird das gemessene Antwortsignal mit einem vorgegebenen Abbruchkriterium verglichen.
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Das Abbruchkriterium kann beispielsweise eine vorgegebene Ausdehnung des Materials des Bauteils oder eine vorgegebene Veränderung des elektrischen Widerstands des Materials sein. Bei Bauteilen aus spröden Materialien mit hoher Steifigkeit versagen derartige Abbruchkriterien aber oftmals. Hierbei kann es zu einem Versagen bzw. Bruch des Materials des Bauteils kommen, bevor dieses messtechnisch erfasst worden ist.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das Messen der Schwingfestigkeit eines Bauteils mit höherer Empfindlichkeit zu ermöglichen, so dass die Überlastung des Bauteils frühzeitiger erkannt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Messen der Schwingfestigkeit eines Bauteils aufweisend einen Aktuator, mit dem das Bauteil einer zyklischen Belastung aussetzbar ist, und einen Sensor zur Messung eines Antwortsignals auf die zyklische Belastung, und eine Auswerte- und Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Frequenzspektrum des Antwortsignals zu bestimmen und die Messung bei der zyklischen Belastung in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Amplituden zweier vorgegebener Frequenzen des Frequenzspektrums abzubrechen.
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Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Auswerte- und Steuereinrichtung kann einerseits ein Frequenzspektrum des Antwortsignals bestimmt werden. Andererseits ist es mit der Auswerte- und Steuereinrichtung möglich, die Messung bei der zyklischen Belastung in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Amplituden zweier vorgegebener Frequenzen des Frequenzspektrums abzubrechen. Insofern wird gemäß der Erfindung ein Abbruchkriterium ermöglicht, welches nicht unmittelbar von dem Antwortsignal, sondern von einzelnen Frequenzen des Frequenzspektrums des Antwortsignals bzw. deren Verhältnis zueinander abhängig ist. Hierdurch wird es möglich, Materialermüdung, insbesondere die Bildung von Rissen in dem Material, früher zu erkennen. Dies wird darauf zurückgeführt, dass derartige Materialermüdung zu Antwortsignalen führt, die einen weniger stark ausgeprägten Sinuscharakter aufweisen und damit einen erhöhten Anteil an Oberschwingungen, auch Harmonische bezeichnet, umfassen. Folglich ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine frühzeitigere Erkennung einer Überlastung des Bauteils und damit eine erhöhte Empfindlichkeit.
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Bevorzugt ist die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu eingerichtet, das Frequenzspektrum des Antwortsignals durch eine Fourier-Transformation, insbesondere eine kontinuierliche Fourier-Transformation oder eine diskrete Fourier-Transformation, beispielsweise eine Fast-Fourier-Transformation, zu bestimmen.
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Bevorzugt ist der Aktuator dazu ausgebildet, das Bauteil einer wiederkehrenden Zug- oder Druckbelastung, Biegung, Torsion oder einem Querkraftschub auszusetzen. Das Antwortsignal kann ein Messignal eines als Kraftsensor ausgebildeten Sensors, eines als Beschleunigungssensor ausgebildeten Sensors oder eines als Dehnungssensors ausgebildeten Sensors sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann diese mehrere Sensoren zur Messung von Antwortsignalen aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung ist in diesem Fall bevorzugt dazu eingerichtet, die ein Frequenzspektrum zu jedem der gemessenen Antwortsignale zu bestimmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis der Amplituden der vorgegebenen Frequenzen des Frequenzspektrums das Verhältnis einer Amplitude einer Oberschwingungsfrequenz zu einer Amplitude einer Grundschwingungsfrequenz. Durch die Wahl eines derartigen Verhältnisses kann eine Zunahme von Oberschwingungen bei aufeinanderfolgenden Belastungen erleichtert detektiert werden. Bevorzugt entspricht die Grundschwingungsfrequenz einer Anregungsfrequenz der zyklischen Belastung. Die Oberschwingungsfrequenz ist bevorzugt eine erste Oberschwingungsfrequenz zu der Grundschwingungsfrequenz, d.h. dass die Oberschwingungsfrequenz der zweifachen Grundschwingungsfrequenz entspricht.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Messung bei der zyklischen Belastung abzubrechen, wenn das Verhältnis einen vorgegebenen Abbruchkriterium-Schwellenwert überschreitet. Der Abbruchkriterium-Schwellenwert kann ein festes Abbruchkriterium für die Durchführung der Belastungsreihe an dem Bauteil darstellen. Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Messung bei der zyklischen Belastung abzubrechen, wenn das Verhältnis einen vorgegebenen Abbruchkriterium-Schwellenwert unterschreitet.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn der vorgegebene Abbruchkriterium-Schwellenwert im Bereich von 0,2 bis 0,4, bevorzugt im Bereich von 0,25 bis 0,35 liegt, beispielsweise 0,33 ist. Dieser Bereich des Abbruchkriterium-Schwellenwerts hat sich in der Praxis als geeignet erwiesen, eine Materialermüdung mit hoher Wahrscheinlichkeit erkennen zu können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor dazu eingerichtet, das Antwortsignal kontinuierlich über ein vorgegebenes Zeitintervall zu messen. Die kontinuierliche Messung des Antwortsignals über ein vorgegebene Zeitintervall erleichtert die nachfolgende Bestimmung des Frequenzspektrums. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das Antwortsignal in vorgegebene Zeitintervalle zu segmentieren. Beispielsweise kann die Bildung der Fourier-Transformation, insbesondere der kontinuierliche Fourier-Transformation oder diskreten Fourier-Transformation, beispielsweise Fast-Fourier-Transformation, über das vorgegebene Zeitintervall erfolgen. Das Zeitintervall umfasst bevorzugt mehrere Impulse der zyklischen Belastung.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Messen der Schwingfestigkeit eines Bauteils wobei das Bauteil einer zyklischen Belastung ausgesetzt wird und ein Antwortsignal auf die zyklische Belastung gemessen wird, wobei ein Frequenzspektrum des Antwortsignals bestimmt wird und die Messung bei der zyklischen Belastung in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Amplituden zweier vorgegebener Frequenzen des Frequenzspektrums abgebrochen wird.
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Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie im Zusammenhang mit der Vorrichtung zum Messen der Schwingfestigkeit erläutert worden sind.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Verhältnis der vorgegebenen Frequenzen des Frequenzspektrums das Verhältnis einer Amplitude einer Oberschwingungsfrequenz zu einer Amplitude einer Grundschwingungsfrequenz ist. Durch die Wahl eines derartigen Verhältnisses kann eine Zunahme von Oberschwingungen bei aufeinanderfolgenden Belastungen erleichtert detektiert werden. Bevorzugt entspricht die Grundschwingungsfrequenz einer Anregungsfrequenz der zyklischen Belastung. Die Oberschwingungsfrequenz ist bevorzugt eine erste Oberschwingungsfrequenz zu der Grundschwingungsfrequenz, d.h. dass die Oberschwingungsfrequenz der zweifachen Grundschwingungsfrequenz entspricht.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Messung bei der zyklischen Belastung abgebrochen wird, wenn das Verhältnis einen vorgegebenen Abbruchkriterium-Schwellenwert überschreitet. Eine alternative, bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Messung bei der zyklischen Belastung abgebrochen wird, wenn das Verhältnis einen vorgegebenen Abbruchkriterium-Schwellenwert unterschreitet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass Daten zu der zyklischen Belastung sowie dem Antwortsignal, insbesondere zusammen mit Messparametern der Belastung und/oder des Antwortsignals, abgespeichert werden. Hierdurch kann einerseits eine strukturierte Dokumentation einer Versuchsreiche zum Messen der Schwingfestigkeit ermöglicht werden. Andererseits können die gespeicherten Daten zur Analyse genutzt werden, beispielsweise um den Abbruchkriterium-Schwellenwert zu optimieren oder ein anderes Verhältnis von Frequenzen auszuwählen, welches eine noch empfindlichere Detektion der Materialermüdung ermöglicht.
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Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Abbruchkriterium-Schwellenwert durch ein Verfahren zum maschinellen Lernen bestimmt wird. Hierdurch wird es möglich, an unterschiedliche Bauteiltypen, Materialien oder Belastungen angepasste Abbruchkriterium-Schwellwerte zu erzeugen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Ablaufdiagramm der Vorgänge bei der Materialermüdung und deren Detektion; und
- 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Schwingfestigkeit eines Bauteils.
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Anhand der Darstellung in 1 sollen zunächst die Vorgänge bei der Messung der Schwingfestigkeit eines Bauteils erläutert werden. In einem Messschritt 101 wird das zu testende Bauteil einer zyklischen Belastung ausgesetzt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Aktuator das Bauteil mit einer vorgegebenen Krafteinwirkung, beispielswese einer Zug- oder Druckbelastung, Biegung, Torsion oder einem Querkraftschub, beaufschlagt.
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Infolge der Belastung des Bauteils kommt es innerhalb des Bauteils zu Rissbildung oder andersartiger Materialermüdung, vgl. Schritt 102. Hierdurch verändert sich die Steifigkeit des Bauteils, vgl. Schritt 103.
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Während der zyklischen Belastung des Bauteils wird ein Antwortsignal des Bauteils auf die Belastung durch einen geeigneten Sensor gemessen. Die Messung erfolgt bevorzugt kontinuierlich über ein vorgegebenes Zeitintervall. Das Zeitintervall umfasst bevorzugt eine Vielzahl von Impulsen der zyklischen Belastung. In einem Auswerteschritt 104 wird dann ein Frequenzspektrum des Antwortsignals bestimmt und dieses Frequenzspektrum ausgewertet. Denn bei zunehmender Rissbildung bzw. Materialermüdung kommt es zu einer Veränderung des jeweiligen bei der Belastung gemessen Antwortsignals. Die Rissbildung bzw. Materialermüdung führt zu Antwortsignalen mit weniger stark ausgeprägtem Sinuscharakter. Das bedeutet, dass sich der Anteil an Oberschwingungen in dem Antwortsignal bei zunehmender Rissbildung bzw. Materialermüdung erhöht. Dieser Effekt lässt sich durch Beobachtung des Frequenzspektrums erkennen. Eine geeignete Größe, die indikativ für diese materialermüdungsbedingten Veränderungen in den Antwortsignal sind, ist das Verhältnis der Amplituden zweier vorgegebener Frequenzen zueinander, beispielsweise das Verhältnis der Amplitude der ersten Oberschwingung zu der Amplitude der Grundschwingung.
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In einem Detektionsschritt 105 wird dieses Verhältnis auf ein Abbruchkriterium hin überwacht, beispielsweise das Überschreiten eines vorgegeben Abbruchkriterium-Schwellenwerts. Bei Erreichen dieses Abbruchkriteriums wird die Messung bei der zyklischen Belastung abgebrochen, also sowohl die zyklische Belastung des Bauteils abgebrochen als auch die Messung des Antwortsignals. Die bei Abbruch vorliegende Anzahl von durchgeführten Belastungszyklen mit den gewählten Belastungsparametern entspricht der Schwingfestigkeit.
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In der 2 ist ein Blockdiagramm gezeigt, anhand dessen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen der Schwingfestigkeit eines Bauteils und einer entsprechenden Vorrichtung erläutert werden soll. Mit einem Aktuator 201 der Vorrichtung 200 wird das zu testende Bauteil einer zyklischen Belastung ausgesetzt, beispielsweise einer Zug- oder Druckbelastung, Biegung, Torsion oder einem Querkraftschub. Die Zyklusfrequenz der Belastung kann im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz, beispielsweise bei 10 Hz, liegen.
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Die Vorrichtung 200 umfasst ferner einen Sensor 202 zur Messung eines Antwortsignals auf die zyklische Belastung. Das Antwortsignal kann beispielsweise ein Messignal eines als Kraftsensor ausgebildeten Sensors, eines als Beschleunigungssensor ausgebildeten Sensors oder eines als Dehnungssensors ausgebildeten Sensors sein. Mit dem Sensor 202 wird das Antwortsignal kontinuierlich jeweils über ein vorgegebenes Zeitintervall gemessen. Bevorzugt umfasst dieses Zeitintervall mehrere Belastungszyklen. Beispielswiese kann ein solches Zeitintervall 1 min betragen. Erhalten wird somit eine segmentierte Messreihe des Antwortsignals bestehend aus mehreren Segmenten jeweils für ein Zeitintervall.
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Die Vorrichtung 200 umfasst ferner eine Auswerte- und Steuereinrichtung 203, die dazu eingerichtet ist, ein Frequenzspektrum des Antwortsignals zu bestimmen und die Messung bei der zyklischen Belastung in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Amplituden zweier vorgegebener Frequenzen des Frequenzspektrums abzubrechen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 203 umfasst mehrere Prozesseinheiten 204, 205, 206, denen unterschiedliche Aufgaben zugeordnet sind.
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Eine erste Prozesseinheit 204 ist als Akquisitionseinheit ausgebildet, und weist ein Digitalisierungs- und Segmentierungsmodul 204.1 auf, welches das gemessene Antwortsignal digitalisiert und in vorgegebene Zeitintervalle, segmentiert. In einem dem Digitalisierungs- und Segmentierungsmodul 204.1 nachfolgenden Transformationsmodul 204.2 wird ein Frequenzspektrum des Antwortsignals gebildet, beispielsweise mittels einer diskreten Fourier-Transformation, insbesondere einer Fast-Fourier-Transformation. In einem dem Transformationsmodul 204.2 nachfolgenden Analysemodul wird das Verhältnis einer Amplitude der ersten Oberschwingungsfrequenz zu einer Amplitude der Grundschwingungsfrequenz gebildet.
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Eine zweite Prozesseinheit 205 der Auswerte- und Steuereinrichtung 203 ist als Auswerte- und Dokumentationseinheit ausgestaltet. Dieser werden die in der ersten Prozesseinheit 204 bestimmten Daten zu dem Verhältnis der Amplituden der beiden Frequenzen zugeführt. Ein Auswertemodul 205.1 der zweiten Prozesseinheit 205 speichert das jeweilige Verhältnis der Amplitude der ersten Oberschwingungsfrequenz zu der Amplitude der Grundschwingungsfrequenz separat für jedes der Zeitintervalle der Messung in einer Speichereinheit 205.2. Ferner werden in der Speichereinheit 205.2 Daten zu dem Material des Bauteils, der Geometrie des Bauteils und weitere Bauteilparameter, wie beispielsweise Steifigkeit, V90-Volumen, Spannungsgradient, ein Zusammenhang von Belastung und Spannung sowie Belastungsparameter, wie beispielswiese die Amplitude der Belastung, eine Materialverdrängung, eine Zyklenzahl gespeichert.
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Optional kann in einem Maschinenlernmodul 205.3 ein Modell angelernt werden, welches ein Abbruchkriterium, beispielsweise einen vorgegebenen Abbruchkriterium-Schwellenwert für das Verhältnis der Amplitude der ersten Oberschwingungsfrequenz zu der Amplitude der Grundschwingungsfrequenz bereitstellt. Das Modell stellt das Abbruchkriterium, insbesondere den vorgegebenen Abbruchkriterium-Schwellenwert, bevorzugt in Abhängigkeit von dem Material des Bauteils und/oder Belastungsparametern bereit.
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Eine dritte Prozesseinheit 206 der Auswerte- und Steuereinrichtung 203 ist als Steuereinheit ausgestaltet. Diese Steuereinheit ist dazu eingerichtet die Messung bei der zyklischen Belastung in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Amplituden zweier vorgegebener Frequenzen des Frequenzspektrums abzubrechen, nämlich dann, wenn das Verhältnis der Amplitude der ersten Oberschwingungsfrequenz zu der Amplitude der Grundschwingungsfrequenz einen vorgegebenen Abbruchkriterium-Schwellenwert überschreitet. IN diesem Fall wird sowohl die zyklische Belastung des Bauteils durch den Aktuator 201 gestoppt als auch die Messung mit dem Sensor 202.
