DE19939549A1 - Prufstand zum Messen der Beulsteifigkeit von Bauteilen - Google Patents

Abstract

Es ist bekannt, die Beulsteifigkeit von Bauteilen, zum Beispiel von Karosserieteilen für ein Kraftfahrzeug, mit einem sogenannten Prüfstand zu messen, bei dem auf ein bestimmtes Flächenelement des Bauteils ein definierter Druck in einer definierten Richtung ausgeübt und die sich dadurch ergebende, bleibende Verformung des Bauteils, zum Beispiel in Form einer Beule, gemessen wird. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Prüfstand zu schaffen, der mit einem einfachen Aufbau schnell aufeinanderfolgende Messungen an einer Vielzahl von Flächenelementen des Bauteils ohne zeitraubende Einstell- und Justiervorgänge zwischen den einzelnen Messungen ermöglicht. DOLLAR A Der Prüfstand enthält einen Rahmen (2), in den das Bauteil (4) unverschiebbar einsetzbar ist, sowie einen über dem Rahmen (2) angeordneten Prüfkopf (5), der durch Motore (M1, M2, M3) zweidimensional verschiebbar und auf das Bauteil absenkbar ist. Der Prüfkopf enthält außerdem eine Meßeinheit (6) für die bleibende Verformung (8) des Bauteils (4).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Prüfstand zum Messen der Beulsteifigkeit von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Karosseriebau, zum Beispiel bei dem Entwurf der Karosserie für Kraftfahrzeuge, ist man bemüht, zur Einsparung von Kosten und Gewicht mit einer möglichst geringen Wandstärke für das verwendete Blech auszukommen. Dabei muß jedoch die sogenannte Beulsteifigkeit an den einzelnen Punkten berücksichtigt und überwacht werden. Es kann sonst vorkommen, daß durch einen beabsichtigten oder unbeabsichtigten Druck auf eine besonders schwache Stelle des Bauteils eine bleibende Verformung, eine sogenannte Beule, entsteht. Beim Entwurf derartiger Karosserien ist es bekannt, die Beulsteifigkeit an einer Vielzahl von Punkten zu messen und die Werte der Beulsteifigkeit über der Fläche des Bauteils in Form eines dreidimensionalen Reliefs darzustellen. Die Beulsteifigkeit kann physikalisch definiert und gemessen werden als die bleibende Verformung des Bauteils an einem Flächenelement bei einer Beanspruchung des Flächenelementes mit einer definierten Kraft über eine definierte Fläche in einer definierten Richtung zur Oberfläche des Bauteils.

Für eine derartige Messung der Beulsteifigkeit sind sogenannte Prüfstände bekannt. Bei einem bekannten Prüfstand wird mit einem Prüfkopf von oben auf das zu untersuchende Flächenelement des Bauteils eine definierte Kraft auf eine definierte Fläche, also ein definierter Druck, in einer definierten Richtung auf das Bauteil ausgeübt. Unter dem Bauteil ist an der Stelle der Krafteinwirkung eine Meßeinheit vorgesehen, die die durch die Beanspruchung bedingte, bleibende Verformung des Bauteils mißt.

Ein derartiger Prüfstand hat den Nachteil, daß die Messung jeweils nur an verschiedenen Punkten durchgeführt werden kann und jeweils das Meßgerät über dem Bauteil entsprechend plaziert werden muß. Mit einem derartigen Prüfstand ist es nicht möglich, eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messungen in einer schnellen Folge an verschiedenen Meßpunkten durchzuführen. Ein Nachteil besteht auch darin, daß jeweils für einen Meßpunkt sowohl oberhalb als auch unterhalb des Bauteils für die Messung benötigte Teile positioniert werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfstand mit einem einfachen Aufbau zu schaffen, der schnell aufeinanderfolgende Messungen an einer Vielzahl von Punkten des Bauteils ermöglicht, ohne daß jeweils zwischen zwei Messungen an verschiedenen Punkten des Bauteils zeitraubende Einstell- oder Justiervorgänge notwendig sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird somit ein Prüfkopf, der sowohl ein Druckstück zur Beanspruchung des Bauteils als auch eine Meßeinheit für die bei der Beanspruchung entstehende bleibende Verformung des Bauteils enthält, mit Hilfe von zwei Motoren zunächst in einem zweidimensionalen Koordinatensystem oberhalb des Bauteils an die jeweils gewünschte Prüfstelle gefahren. Dann wird mit einem dritten Motor der Prüfkopf so abgesenkt, daß das Druckstück entsprechend den genannten Parametern definiert auf das Bauteil einwirkt. Dann wird der Prüfkopf wieder hochgefahren, wobei anschließend eine Meßeinheit innerhalb des Prüfkopfs die sich bei der Beanspruchung ergebende bleibende Verformung ermittelt.

Die Motoren für die zweidimensionale Bewegung und die dazu senkrechte Bewegung auf das Bauteil und die Meßeinheit sind an eine Steuereinheit angeschlossen, an die außerdem eine Eingabeeinheit angeschlossen ist. Die Daten für die jeweils zu messende Prüfstelle oder ein ganzes Programm für eine Vielzahl nacheinander zu messender Prüfstellen werden dann über die Eingabeeinheit eingegeben.

Ein wesentlicher Vorteil des erfingungsgemäßen Prüfstands besteht darin, daß Messungen vieler verschiedener Prüfstellen gegebenenfalls automatisch nacheinander in einer schnellen Folge durchgeführt werden können. Vorteilhaft ist auch, daß unterhalb des Bauteils keine Meßmittel notwendig sind, das heißt sowohl die Beanspruchung des Bauteils als auch die Messung der sich ergebenden Verformung nur von der Oberseite des Bauteils erfolgen. Gegen Druckbeanspruchung besonders sensible Stellen des Bauteils können dann schnell und einfach ermittelt werden und zu Gegenmaßnahmen wie Verstärkung des Bauteils, Hinterspritzungen oder Verstärkungen führen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Winkel zwischen der Achse des Prüfkopfs und der Ebene des Bauteils abweichend von 90° einstellbar. Die so gewonnene Schrägstellung kann manuell und/oder auch über einen vierten Motor eingestellt werden, so daß mit vier Motoren alle möglichen Meßpunkte automatisch angefahren werden können. Dadurch kann der Prüfkopf so eingestellt werden, daß das Druckstück senkrecht auf das jeweils zu prüfende Flächenelement des Bauteils einwirkt. Das ist wichtig, weil in der Regel eine senkrechte Einwirkung einer Kraft auf ein Flächenelement die kritischste Beanspruchung ist und die größte Verformung erzeugt. Bei dieser Schrägstellung der Z- Achse und dem Aufbringen einer Kraft treten Querkräfte auf, die trotz eines formschlüssigen Antriebs des Prüfkopfes zu einer Verschiebung eines den Prüfkopf tragenden Laufwagens auf der X- und der Y-Achse führen können. Um dieses zu vermeiden, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dem Prüfkopf bzw. einem den Prüfkopf tragenden Laufwagen ein Bremssystem zugeordnet. Das Bremssystem dient dazu, den Prüfkopf während des Meßvorgangs in den beiden orthogonalen Richtungen an dem Chassis des Prüfstandes zu arretieren, damit während des Meßvorgangs keine unerwünschten Verschiebungen des Prüfkopfes relativ zu dem Bauteil auftreten. Vorzugsweise ist das Bremssystem durch pneumatische Backenbremsen gebildet, die auf zwei Bremsschienen einwirken, die parallel zu der X- und der Y-Achse an einem den Prüfkopf tragenden Laufwagen angeordnet sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Wechselrahmen vorgesehen. Diese sind auf einer Seite konstruktiv gleich ausgebildet und unverschiebbar in einen stationären Rahmen einsetzbar. Auf der anderen Seite sind die Wechselrahmen konstruktiv unterschiedlich ausgebildet, das heißt haben derart unterschiedlich geformte Aussparungen oder Haltewinkel, daß unterschiedliche Bauteile mit geringem Spiel unverschiebbar eingesetzt werden können. Dadurch kann der Prüfstand sehr schnell für die Prüfung eines anders gearteten Bauteils umgerüstet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 den Aufbau des erfindungsgemäßen Prüfstands in vereinfachter Form,

Fig. 2 die Wirkungsweise des Meßvorgangs bei dem Prüfstand gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung mit Wechselrahmen,

Fig. 4 eine Ausführungsform für eine Schrägstellung des Prüfkopfes relativ zur Senkrechten und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für das Bremssystem.

Fig. 1 zeigt einen Prüfstand mit einer festen Unterlage 1, auf der ein Rahmen 2 mit seitlichen Haltewinkeln 3 befestigt ist. In den Rahmen 2 ist zwischen den Haltewinkeln 3 ein Bauteil 4 weitestgehend spielfrei unverschiebbar eingesetzt, zum Beispiel eine Motorhaube oder eine Tür eines Kraftfahrzeugs. Oberhalb dieser Anordnung ist ein Prüfkopf 5 angeordnet. Der Prüfkopf 5 enthält einen Motor M1, mit dem der Prüfkopf waagerecht, also parallel zur Unterlage 1, in Richtung der Achse X verschiebbar ist. Mit einem zweiten Motor M2 ist der Prüfkopf 5 ebenfalls in waagerechter Richtung in Richtung der dazu senkrechten Achse Y verschiebbar. Ein dritter Motor M3 ermöglicht ein Absenken des Prüfkopfes 5 so weit, daß ein Druckstück 7 eine Kraft P auf das Bauteil 4 ausübt und dadurch eine bleibende Verformung in Form einer Beule 8 bewirkt. Die Motoren M1, M2 und M3 sind an Ausgänge einer Steuereinheit SE in Form eines Computers angeschlossen. An die Steuereinheit SE sind eine Eingabeeinheit EE mit einer Tastatur sowie eine Ausgabeeinheit AE in Form eines Monitors angeschlossen. Ein Ausgang der Meßeinheit 6 ist außerdem über die Leitung 9 an einen Eingang der Steuereinheit SE angeschlossen.

Im Betrieb erfolgt über die Eingabeeinheit EE die Eingage von Koordinatenwerten X, Y für einen oder eine Folge von verschiedenen Meßpunkten. Bei der Auslösung des Prüfvorgangs bewegt sich der Prüfkopf 5 selbsttätig zu den eingegebenen Werten innerhalb des X-Y Koordinatensystems. Wenn ein bestimmtes, zu untersuchendes Flächenelement des Bauteils 4 erreicht ist, steuert der Motor M3 das Absenken des Prüfkopfs 5, so daß in der beschriebenen Weise das Druckstück 7 auf das Bauteil 4 einwirkt. Die Meßeinheit 6 ermittelt die dadurch hervorgerufene bleibende Verformung 8 in Form der Beule und liefert ein entsprechendes Signal über die Leitung 9 an die Steuereinheit SE. Die nacheinander gemessenen Werte für die Verformung 8 können dann aufgezeichnet, in einen Speicher eingegeben oder auf der Ausgabeeinheit AE dargestellt werden.

Fig. 2 zeigt im Prinzip die Funktion des Meßvorgangs gemäß Fig. 1. Dabei finden sich wesentliche Teile von Fig. 1 wieder. Die Meßeinheit 6 von Fig. 1 ist durch eine Meßuhr 6a dargestellt. Zu Beginn des Prüfablaufs wird zunächst der Prüfkopf 5 mit der Meßuhr 6a so eingerichtet, daß diese bei einer entsprechenden Vorspannung auf den Wert null eingestellt ist. Anschließend wird mit dem kleinsten eingestellten Druck begonnen und über das Druckstück 7 eine Kraft P auf das Bauteil 4 ausgeübt. Nach dem Stillstand des Zeigers der Meßuhr 6a wird die Abweichung zu dem vorher eingestellten Meßwert notiert oder in die Steuereinheit SE eingegeben. Diese Abweichung wird als Eingrifftiefe bezeichnet. Danach wird durch Hochfahren des Prüfkopfs 5 das Bauteil 4 wieder von dem Druckstück 7 entlastet. Der jetzt an der Meßuhr 6a ablesbare oder der Steuereinheit SE zugeführte Wert stellt die durch den Prüfvorgang hervorgerufene bleibende Verformung 8 dar. Dieser Wert ist umso größer, je höher der Anteil an plastischer Verformung ist. Nach dem Notieren oder Speichern der bleibenden Verformung 8 wird der Vorgang mit der nächsthöheren Kraft P fortgesetzt. Durchgeführte Meßreihen haben gezeigt, daß praktisch kein Unterschied hinsichtlich der erzielten Eindrücktiefe vorhanden ist, wenn statt der stufenweise Steigerung der Kraft gleich mit der größten Kraft gedrückt wird. In Fig. 2 ist die bleibende Verformung 8 durch das Druckstück 7 übertrieben groß gestrichelt dargestellt. In diesem Beispiel sind außer den Haltewinkeln 3 noch Abstützungen 10 zu beiden Seiten des zu prüfenden Flächenelementes vorgesehen.

In Fig. 3 ist gemäß Fig. 2 ein Wechselrahmen 2 formschlüssig und spielfrei in die feste Unterlage 1 eingesetzt. Die Oberseite des Wechselrahmens 2 ist so ausgebildet, daß sie ein eingesetztes Bauteil 4 weitestgehend spielfrei und unverschiebbar aufnimmt. Der Wechselrahmen 2 ist durch andere Wechselrahmen austauschbar. Diese sind an ihrer Unterseite zum Einsetzen in die feste Unterlage 1 konstruktiv gleich ausgebildet. An der Oberseite haben die verschiedenen Wechselrahmen unterschiedliche Aufnahmen, Aussparungen oder Haltewinkel zum bedarfsweisen Einsetzen unterschiedlicher Bauteile 4. Dadurch kann der Prüfstand sehr schnell für die Prüfung eines anderen Bauteils umgerüstet werden. Der Prüfkopf 5 mit dem Druckstück 7 ist in einem Laufwagen 12 gelagert, der in der beschriebenen Weise in den Richtungen X, Y an das zu untersuchende Flächenelement des Bauteils 4 bewegbar ist.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 3 zur Erläuterung der Schrägstellung des Prüfkopfes 5. Der Prüfkopf 5 ist gegenüber der Senkrechten zu der Ebene der festen Unterlage 1 oder des Rahmens 2 um einen Winkel ϕ, zum Beispiel 10°, geneigt. Dadurch wird erreicht, daß das Druckstück 7 senkrecht auf das zu untersuchende Flächenelement 11 des Bauteils 4 einwirkt. Die Schrägstellung kann auch über einen vierten Motor, hier nicht dargestellt, angebaut werden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Bremssystems. Das Bremssystem enthält einen Hydraulikantrieb 16 sowie zwei Bremsbacken 13, 14, die auf eine mit dem Laufwagen 12 verbundene Bremsschiene 15 einwirken. Der Laufwagen 12 enthält zwei, senkrecht zueinander stehende Bremsschienen. Bei Betätigung des Bremssystems erfassen die Bremsbacken 13, 14 jeweils die Bremsschiene 15 und verhindern eine Bewegung des Laufwagens in beiden Richtungen X und Y während des Prüfvorgangs.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Unterlage

2

Rahmen

3

Haltewinkel

4

Bauteil

5

Prüfkopf

6

Meßeinheit

6

a Meßuhr

7

Druckstück

8

Beule

9

Leitung

10

Abstützung

11

Flächenelement

12

Laufwagen

13

Bremsbacke

14

Bremsbacke

15

Bremsschiene
M1, M2, M3, M4 Motor
P Kraft
SE Steuereinheit
AE Ausgabeeinheit
EE Eingabeeinheit
X, Y Achse

Claims (7)

1. Prüfstand zum Messen der Beulsteifigkeit von Bauteilen, bei dem auf ein definiertes Flächenelement des Bauteils (4) mit einem definierten Druck in einer definierten Richtung eine Beanspruchung ausgeübt und die sich daraus ergebende bleibende Verformung (8) gemessen wird, gekennzeichnet durch einen Rahmen (2), in den das Bauteil (4) unverschiebbar einsetzbar ist, und einen über dem Rahmen (2) angeordneten, ein Druckstück (7) enthaltenden Prüfkopf (5), der durch Motore (M1, M2, M3, M4) horizontal zweidimensional innerhalb eines Koordinatensystems (X, Y) verschiebbar und auf das Bauteil (4) absenkbar ist und eine Meßeinheit (6) für die bleibende Verformung (8) enthält.

2. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkopf (5) zunächst derart auf das Bauteil (4) absenkbar ist, daß das Druckstück (7) eine Kraft (P) auf ein Flächenelement des Bauteils (4) ausübt und eine bleibende Verformung (8) auslöst, daß der Prüfkopf (5) anschließend wieder nach oben von dem Bauteil (4) abhebbar und danach soweit auf das Bauteil (4) absenkbar ist, daß das Druckstück (7) auf dem Flächenelement aufliegt und die Messung der bleibenden Verformung (8) durch die Meßeinheit (6) ermöglicht.

3. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (ϕ) zwischen der Achse des Prüfkopfs (5) und der Horizontalebene des Rahmens (2) abweichend von 90° einstellbar ist.

4. Prüfstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Wechselrahmen (2), die mit einer Seite unverschiebbar auf eine feste Grundplatte (1) des Prüfstands einsetzbar sind und auf der gegenüberliegenden Seite unterschiedliche Aussparungen zur unverschiebbaren Aufnahme unterschiedlicher Bauteile (4) aufweisen.

5. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prüfkopf (5) ein Bremssystem (13-16) zugeordnet ist, das den Prüfknopf (5) während des Meßvorgangs in den beiden orthogonalen Richtungen (X, Y) an dem Chassis des Prüfstands arretiert.

6. Prüfstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremssystem durch pneumatische Backenbremsen (13, 14) gebildet ist.

7. Prüfstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Backenbremsen (13, 14) auf zwei Bremsschienen (15) einwirken, die parallel zu der X- und der Y-Achse an einem den Prüfkopf (5) tragenden Laufwagen angeordnet sind.