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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Bestimmung der Ermüdungseigenschaften eines elastischen Materials.
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Stand der Technik
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Die Bestimmung der Ermüdungseigenschaften der Materialien gibt Aufschluss über die Lebensdauer eines Materials. Daher ist die Bestimmung der Ermüdungsdauer der Materialien wichtig. Nach dem Stand der Technik gibt es eine Reihe von Maschinen zur Bestimmung der Ermüdungseigenschaften von Materialien wie Metall und Kunststoff. Zur Bestimmung der Ermüdungseigenschaften werden statische und dynamische Tests an den Materialien durchgeführt. Wenn das Material unter langsam ansteigenden statischen Lasten getestet wird, versagt die Festigkeit des Materials, und das Material bricht bei einer bestimmten Grenzdehnung. Dieser ermittelte Belastungswert wird als statische Festigkeit des Materials bezeichnet. Die Ermittlung der statischen Prüfwerte ist einfacher als die Ermittlung der dynamischen Prüfwerte. Die Prüfungen für die statischen Lasten sind recht einfach. Bei diesen Prüfungen handelt es sich um einen Zug- und Bruchtest unter einer bestimmten Last, wobei die Kraft und der Abstand unter dieser Last gemessen werden. Die Normen und die Art der Prüfung werden festgelegt. Da bei den statischen Prüfungen nach dem Stand der Technik außer den Metallen kein Material definiert ist, liefern diese Prüfungen gute Ergebnisse für die Metalle. Das heißt, diese Prüfung liefert nur für metallische Materialien korrekte Ergebnisse. Bei dieser Prüfung wird gemessen, wie lange die metallischen Materialien der gleichen Last standhalten. Da die Last eine auf das Material einwirkende Kraft ist, wird die Festigkeit des Materials unter Dehnung, Belastung und Verschiebung durch die auf das Material einwirkende Kraft beobachtet. So gibt es nach dem Stand der Technik Maschinen (eine Ermüdungsprüfmaschine oder eine Kriechprüfmaschine), die statische Prüfungen durchführen, um die Lebensdauer eines Materials in den Metallen zu bestimmen.
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Die gleiche Messung in den Hartplastiken wird von den Maschinen (einer Flexibilitätsprüfmaschine) nach dem Stand der Technik durchgeführt. Bei dieser Prüfung wird versucht, das Kunststoffmaterial mit unterschiedlichen Verschiebungen oder Kraftamplituden zu biegen. Es wird geprüft, wie lange das Kunststoffmaterial der genannten Verschiebung oder Kraft standhält, d. h. seine Ermüdungseigenschaften werden getestet, und die Lebensdauer des Kunststoffmaterials wird bestimmt.
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Nach dem Stand der Technik werden die charakteristischen Merkmale und die Ermüdungsfestigkeit von Materialien wie Metall und Kunststoff durch Versuche mit Standard-Bügel- oder Coupon-Proben ermittelt. So kann ein Entwurf mit analytischen oder digitalen Methoden erstellt werden, um eine bestimmte Funktion zu erreichen. Das Verhalten der Konstruktionen unter bestimmten Lasten und Verschiebungen kann mit analytischen und digitalen Methoden berechnet werden, ebenso wie die Ermüdungsfestigkeit unter den sich wiederholenden Lasten mit Ermüdungskurven, die aus den Materialprüfungen gewonnen werden. Die Steifigkeit der elastischen Materialien kann auf Materialebene mit Hilfe von Standard-Coupon- oder Bügel-Proben bestimmt werden. Die Ermüdungsfestigkeit der elastischen Materialien kann jedoch nicht auf Materialebene ermittelt werden, und das Verhalten der Konstruktionen unter den sich wiederholenden Lasten kann nicht berechnet werden. Daher ist ein teures und zeitaufwändiges Verfahren zur Herstellung der Produkte und zur Prüfung ihrer Ermüdungsfestigkeit erforderlich, um die Konstruktionen zu verifizieren. Die Charakterisierung der Ermüdungsfestigkeit von elastischen Materialien auf Materialebene ist zeit- und kosteneffizient für die Auslegung und Überprüfung von elastischen Materialien, die in vielen Bereichen eingesetzt werden.
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Neben den Hartplastikmaterialien und metallischen Materialien werden in der Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie, auch elastische, z.B. Gummiteile verwendet, die wechselnden Belastungen ausgesetzt sind. Die oben erwähnten Maschinen, die auf der Grundlage der statischen Prüfwerte der Metall- oder Kunststoffmaterialien arbeiten, haben nicht die gleichen Auswirkungen auf die Materialien mit dynamischen Prüfwerten, wie z.B. Gummi. Daher kann kein genaues Ergebnis erzielt werden. Die Ermüdungseigenschaften des in der Automobilindustrie verwendeten Gummimaterials lassen sich mit den für Metall- und Hartplastikmaterialien verwendeten Maschinen nur schwer oder gar nicht bestimmen. Die Maschinen, die zur Bestimmung der Lebensdauer von metallischen Materialien und Hartplastikmaterialien entwickelt wurden, sind sehr teuer, und die besagten Maschinen zur Prüfung der Lebensdauer werden nicht für Gummimaterialien verwendet. Daher werden die Prüfverfahren der genannten Maschinen nicht für Gummimaterialien verwendet, um die Ermüdungsdauer von Metall- und Kunststoffmaterialien zu berechnen. Das heißt, die Ermüdungsdauer des Gummis kann mit den Maschinen mit diesem Verfahren nicht genau berechnet werden. Die Ermüdungsdauer kann je nach Art des Materials stark variieren. Da die Steifigkeit der elastischen Materialien geringer ist als die der metallischen und plastischen Materialien, sind die Verschiebungsamplituden, denen sie unter den gleichen Lasten ausgesetzt sind, höher. Daher müssen Messgeräte entwickelt werden, die nicht zum Stand der Technik gehören, um die Ermüdungseigenschaften und damit die Lebensdauer eines Gummimaterials genau bestimmen zu können.
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Kurze Beschreibung der Erfindung:
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine zur Bestimmung der Ermüdungseigenschaften, d.h. der Lebensdauer, eines elastischen Materials, z.B. eines Gummis, bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Ermüdungsbeständigkeit von Kautschuken unterschiedlicher Art mit dieser Maschine zu bestimmen und miteinander zu vergleichen.
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Diese Maschine bestimmt die Lebensdauer eines Gummimaterials auf sehr genaue Weise. Dazu werden die notwendigen Ermüdungsdaten der Materialien von der Maschine ermittelt.
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Mit der Erfindung wird die Ermüdungsdauer eines Gummimaterials genau bestimmt, und es werden im Vergleich zu den anderen Maschinen im Stand der Technik einfachere, billigere und genauere Ergebnisse erzielt. Darüber hinaus kann mit der erfindungsgemäßen Maschine die Ermüdungsdauer von Gummisorten mit unterschiedlichen Strukturen verglichen werden. Die Ermüdungsdauer eines Gummimaterials wird bei den Prüfungen und Experimenten bestimmt, die mit der erfindungsgemäßen Maschine durchgeführt werden. Nachdem die Ermüdungsdauer genau bestimmt wurde, werden ein Prototyp und ein Bauteil aus dem Gummimaterial hergestellt.
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Figurenliste
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- 1 ist eine repräsentative Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Maschine, die in einer Ausführungsform in sechs Teilen auf einem Fahrgestell angeordnet ist.
- 2 ist eine großformatige repräsentative Vorderansicht eines Teils, das zur Bestimmung der Lebensdauer eines elastischen Materials in der erfindungsgemäßen Maschine verwendet wird.
- 3 ist eine großformatige, repräsentative Ansicht eines Moments, in dem ein elastisches Material, das sich zwischen der oberen Welle und der unteren Welle der erfindungsgemäßen Maschine befindet, aus dem Gleichgewicht ist, d.h. unter Druck und Zugspannung steht.
- 4 ist eine repräsentative Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Maschine, die in einer Ausführungsform in sechs Teilen auf einem Fahrgestell angeordnet ist.
- 5 ist eine repräsentative Draufsicht einer erfindungsgemäßen Maschine, die in einer Ausführungsform in sechs Teilen auf einem Fahrgestell angeordnet ist.
- 6 ist eine repräsentative isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Maschine, die in einer Ausführungsform in sechs Teilen auf einem Fahrgestell angeordnet ist.
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Beschreibung der Referenzen in den Figuren
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden die Ziffern in den Figuren nachstehend angegeben:
- 1
- Maschine
- 1.1
- Obere Welle
- 1.2
- Untere Welle
- 1.3
- Antriebswelle
- 1.4
- Antriebselement
- 1.5
- Biegeelement
- 1.6
- Schiebeelement
- 1.7
- Detektor
- EM
- Elastisches Material
- Ş
- Fahrgestell
- TÇ
- Tragestange
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
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Die erfindungsgemäße Maschine (1) zur Bestimmung der Ermüdungsdauer der elastischen Materialien (EM) umfasst eine obere Welle (1.1), die eine Belastung (oder einen Druck) ausübt, indem sie um die vorgegebenen Werte eines Winkels zu einem elastischen Material (EM) gebogen wird, eine untere Welle (1.2), auf der das elastische Material (EM) angeordnet ist und die das elastische Material (EM) um seine eigene Achse (eine Symmetrieachse) dreht, eine Antriebswelle (1.3), die an der unteren Welle (1.2) befestigt ist, ein Antriebselement (1.4), das die Antriebswelle (1.3) mit einer vorgegebenen Drehzahl dreht, ein Biegeelement (1.5), das es der oberen Welle (1.1) ermöglicht, eine Spannung auf das elastische Material (EM) auszuüben, indem die obere Welle (1.1) um einen vorbestimmten Winkel gebogen wird, ein Schiebeelement (1.6), das es dem Biegeelement (1.5) ermöglicht, die obere Welle (1.1) zu winkeln, und einen Detektor (1.7) zur Messung eines Kraftwertes, der von dem elastischen Material (EM) in der entgegengesetzten Richtung zu der darauf ausgeübten Kraft gebildet wird.
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Die Maschine (1) umfasst auch einen Zykluszähler (in den Figuren nicht dargestellt und nummeriert), der die Anzahl der Zyklen (oder Umdrehungen) der Antriebswelle (1.3) misst, und eine Stange (in den Figuren nicht dargestellt und nummeriert), die an einer beliebigen Stelle der Antriebswelle (1.3) angebracht ist, um den Zyklus zu zählen. Der Zählvorgang erfolgt mit Hilfe des Teils oder der Stange, die den Zykluszähler passiert. Jeder vorbeiziehende Prozess stellt einen vollständigen Zyklus dar.
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Die obere Welle (1.1) und die untere Welle (1.2) bestehen vorzugsweise aus einem Metall, sind aber in der Praxis nicht darauf beschränkt. Das elastische Material (EM), dessen Lebensdauer bestimmt werden soll, wird zwischen der oberen Welle (1.1) und der unteren Welle (1.2) angeordnet. Die obere Welle (1.1) und die untere Welle (1.2) stehen in Kontakt mit vorzugsweise zylindrischen Unter- und Oberteilen des elastischen Materials (EM). Nach der Positionierung des elastischen Materials (EM) zwischen der oberen Welle (1.1) und der unteren Welle (1.2) wird das elastische Material (EM) um die Symmetrieachse (d.h. die Achse, die durch den Mittelpunkt des Materials verläuft) des elastischen Materials (EM) gedreht. Das elastische Material (EM) wird durch die Antriebswelle (1.3) gedreht, die sich über das Antriebselement (1.4), das die Drehung ermöglicht, in Rotation versetzt.
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Mit der erfindungsgemäßen Maschine (1) wird die Ermüdungsdauer des zylindrischen elastischen Materials (EM), das in der Erfindung in beliebiger Form gewählt wird, bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das elastische Material (EM) (oder ein elastomeres Material) Gummi, aber in der Praxis ist es nicht darauf beschränkt.
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In der Erfindung ist der Detektor (1.7) ein Kraftsensor und misst den Kraftwert, den das elastische Material (EM) unter Last bildet.
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In der Erfindung wird die Ermüdungsdauer von mehr als einem elastischen Material (EM) von mehr als einer Maschine (1) gleichzeitig bestimmt. Mehr als eine Maschine (1) wird auf dem Fahrgestell (5) montiert und betrieben. Erfindungsgemäß sind vorzugsweise sechs Maschinen (1) auf dem Fahrgestell (Ş) montiert, aber das ist in der Praxis nicht beschränkt. So wird die Ermüdungsdauer von 6 elastischen Materialien (EM) gleichzeitig bestimmt. Bei dieser Ausführungsform werden alle oberen Wellen (1.1) gleichzeitig in den Biegemodus gebracht. Gleichzeitig werden die Antriebswelle (1.3), mit der die untere Welle (1.2) verbunden ist, und die untere Welle (1.2) durch ein Riemen- und Scheibensystem, mit dem das Antriebselement verbunden ist, und das Antriebselement (1.4) um eine feste Achse mit einer vorgegebenen festen Geschwindigkeit gedreht.
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Wenn ein Punkt auf dem elastischen Material (EM) markiert wird und dieser Punkt einen vollen Zyklus um die Symmetrieachse des elastischen Materials (EM) durchläuft, d.h. wenn sich dieser Punkt ständig in einer Rotationsbewegung bewegt, wechselt er in einen Zugmodus, wenn er die Seite des elastischen Materials (EM) erreicht, auf die kein Druck ausgeübt wird, in einen neutralen Modus, wenn er sich in der Mitte befindet, und in einen Druckmodus, wenn er die Seite erreicht, auf die ein Druck ausgeübt wird. Auf diese Weise wird eine Belastungsänderung (oder Dehnung) des Materials erzeugt. Sowohl im Zug- als auch im Druckmodus wird ein dynamischer Zwangszustand auf das Material ausgeübt. Die besagte Stelle des elastischen Materials (EM) ist einer zyklischen Belastung und einem Druck ausgesetzt. So wird das Verhalten des elastischen Materials (EM) gegenüber der zyklischen Belastung und dem Druck während der Ermüdungsversuche charakterisiert. Die obere Welle (1.1) wird in einem festen Winkel gebogen und übt während des Messvorgangs die gleiche Belastung auf das elastische Material (EM) aus. Während dieses Messvorgangs entspricht die Differenz zwischen der Zugbelastung und der Druckbelastung der Belastungssamplitude des elastischen Materials (EM). Wird beispielsweise ein Zug von 120% und ein Druck von 70% auf das elastische Material (EM) erzeugt, entsteht bei einer vorgegebenen konstanten Drehzahl eine Belastungsamplitude von 190%. Im Laufe der Zeit bilden sich aufgrund des ausgeübten Drucks Risse (oder Verformungen) im Material, und das Material beginnt zu reißen, sobald sich die Risse bilden. Wenn das elastische Material (EM) gezwungen wird, sich unter einer Belastung zu biegen, neigt das Material dazu, flach zu sein, d.h. es neigt dazu, in einen ausgeglichenen Zustand zurückzukehren. Dann beginnt das elastische Material (EM) Widerstand zu leisten. Dadurch bildet das Material einen Widerstand gegen Biegung. Es wird eine Kraft in Höhe des Biegewiderstands des Materials erzeugt. Wenn die obere Welle (1.1) in einem bestimmten Winkel gebogen wird, wird auch der Detektor (1.7) in demselben Winkel und in dieselbe Richtung gebogen, in die die obere Welle (1.1) gebogen wird. Dann wird ein Kraftwert vom Detektor abgelesen (1.7). Das elastische Material (EM) bildet eine Kraft, die der Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. Gleichzeitig wird ein Kraftwert vom Detektor (1.7), d.h. den Kraftsensoren, abgelesen. Wenn eine Drehung in die gleiche Richtung entlang aller Achsen gestartet wird, werden die gleiche Anzahl von Umdrehungen und die gleichen Kraftwerte gemessen. Die durch das elastische Material (EM) aufgebrachte Kraftreaktion nimmt ab, wenn das elastische Material (EM) mit der Zeit zu verschleißen oder zu reißen beginnt. Dadurch wird die Widerstandskraft verringert. Dies ist aus dem von den Detektoren (1.7) abgelesenen Kraftwert bekannt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Lebensdauer des elastischen Materials (EM) beendet, wenn die bei einem bestimmten Biegewinkel abgelesene Amplitude um 30% abnimmt. Wenn zum Beispiel das elastische Material (EM) einen vollen Zyklus von 1.000.000 durchläuft und die Amplitude am Ende dieses Zyklus um 30% abnimmt, wird davon ausgegangen, dass die Lebensdauer des elastischen Materials (EM) einem vollen Zyklus von 1.000.000 entspricht. Die Messungen werden für dasselbe Material in den Biegemodi unter verschiedenen Winkeln wiederholt. Wenn ein Bruchwert unter der Annahme ermittelt wird, dass er durch das Schiebeelement (1.6) um einen Winkel von 15° gedrückt wird, ist dieser Wert maximal. Mit zunehmendem Winkel erhöht sich die auf das elastische Material (EM) ausgeübte Belastung (siehe Diagramm-1). Dementsprechend verringert sich die Lebensdauer. Zur Erstellung einer SE-Kurve (Ständige Ermüdung) sind mindestens mehrere Punkte erforderlich. Die Kurve wird mit Hilfe einer Kurvenanpassungsfunktion relativ zu den genannten Punkten konstant gemacht. Das heißt, die Punkte werden durch Interpolation gefunden. Im Falle von 15°, 30° , 45° wird beispielsweise eine Belastung gefunden, die 18° entspricht, da eine Funktion durch Kombination der Punkte erstellt wird.
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Diagramm-1: Diagramm für die elastische Material (EM) - Belastungsdauer
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Die Installation der erfindungsgemäßen Maschine (1) ist relativ einfach. Die Messung wird praktisch durchgeführt. Die gewünschte Verdrängung wird mit der Maschine (1) ohne hochentwickelte Technik erreicht. Die Informationen über die Lebensdauer des elastischen Materials (EM) und die Dehnung des elastischen Materials (EM), das um seine eigene Achse gedreht wird, werden gewonnen, indem die obere Welle (1.1) durch ein einfaches Schiebeelement (1.6), z.B. einen Kolben, bis zu einem vorbestimmten Abstand gebogen wird, indem eine Dehnung des Materials erzeugt wird und indem ein Antriebselement (1.4) für die Maschine (1) hinter dem Fahrgestell (oder der Platte) verwendet wird.
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In der Erfindung wird die Lebensdauer mit den Werten der Maschine (1) modelliert, eine Funktion aus der Wöhlerkurve gewonnen und eine Materialdehnung dieses Winkels für jeden in die Funktion eingegebenen Winkel ermittelt. So kann auch die Lebensdauer von Materialien mit gleicher Materialstruktur, aber unterschiedlicher Geometrie mit der Erfindung abgeschätzt werden.
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Erfindungsgemäß werden mit der erfindungsgemäßen Maschine (1) schnell eine maximale Belastung (Smax) und eine minimale Belastung (Smin) mit voneinander abweichenden Werten auf dem Gummi erzeugt, um die Ermüdungseigenschaften und damit die Lebensdauer des Gummimaterials genau zu bestimmen. Dies geschieht unter wechselnder Last. Das System arbeitet nach dem Prinzip der Rotationsabweichung.
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Ein genormter Gummiblock wird als Kupplung zwischen zwei Wellen verwendet. Diese beiden Wellen sind in einem bestimmten Winkel miteinander verbunden. Kupplungen werden verwendet, um zwei Wellen zu verbinden. Die Wellen und Drehzapfen vibrieren, wenn sie nicht vollständig eingestellt verbunden sind. Um diese Schwingungen zu minimieren, müssen zwei Geräte über Kupplungen in einem bestimmten Winkel miteinander verbunden werden. Der Gummi wird einseitig betätigt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird ein vorbestimmter Teil des einen Endes des Gummis vollständig gespannt, während ein vorbestimmter Teil des anderen Endes zusammengedrückt wird. Nach der Hälfte des Zyklus geht der Teil, der im vorherigen Zustand unter Druck stand, im zweiten Zustand in Zug über. Da die Geometrie des Materials standardisiert ist, sind auch die Belastungen und kontrollierten Dehnungen in Abhängigkeit vom Winkel bekannt. Ein weiteres Kriterium ist die Verringerung der Last des Gummiteils um einen bestimmten Prozentsatz. Wenn die maximale Kraft auf den Gummi um einen bestimmten Prozentsatz abnimmt, gilt die Lebensdauer dieses Teils als beendet. Folglich werden die Wellen in verschiedenen Winkeln zueinander gebogen, um eine maximale und eine minimale Belastung zu erhalten, und dieser Prozess wird sehr schnell durchgeführt. Durch die Messung der Kräfte bei den kontrollierten Winkeln und Verschiebungen kann die Lebensdauer der Gummiteile regelmäßig bestimmt werden. Da die Bedingungen sowohl in Bezug auf die Verschiebung als auch auf die Drehung sehr kontrolliert sind, können mit der erfindungsgemäßen Lebensdauerbestimmungsmaschine (1) verschiedene Gummitypen miteinander verglichen werden.
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Industrielle Anwendbarkeit der Erfindung:
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Die Erfindung bestimmt insbesondere die Ermüdungseigenschaften der in der Automobilindustrie verwendeten Gummimaterialien und ist industriell anwendbar.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorgenannten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, und ein Fachmann kann die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung leicht erkennen. Diese sollten innerhalb des Schutzbereichs der in den Ansprüchen beanspruchten Erfindung berücksichtigt werden.
