DE2362559B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen der Dauerfestigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Scheibenrädern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Dauerfestigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Scheibenrädern, bei dem der Rotationskörper ortsfest gehalten wird und mittels eines Erregerstabes, an welchem Querkräfte angreifen, eine Belastung in den Rotationskörper eingeleitet wird sowie eine Vorrichtung zum Prüfen der Dauerfestigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Scheibenrädern, mit einer Einspanneinrichtung zum ortsfesten Halten des Rotationskörpers, einem Erregerstab, der mit einem Ende mit dem Rotationskörper verbindbar ist und am anderen Ende einen drehbaren Erregerkopf trägt, mit dem Querkräfte, weiche am Erregerstab angreifen, erzeugbar sind.

Mit dem Einsatz hochbeanspruchbarer Reifen und Fahrwerke in modernen Kraftfahrzeugen gehen hohe Beanspruchungen des Scheibenrades, auf welchem der Reifen sitzt, einher. Aus der Sicht der Fahrwerkdynamik und der Materialkosten wird ein geringes Gewicht des Scheibenrades, aber gleichzeitig eine hohe Steifigkeit und Belastbarkeit angestrebt. Jedoch muß bei diesen Forderungen die Betriebssicherheit die vorrangige Stellung einnehmen.

Durch die komplizierte geometrische Gestalt des Rades und die unterschiedliche Krafteinleitung durch den Reifen ist der Kraftschluß an den einzelnen Stellen des Scheibenrades unterschiedlich, und es treten für jeden Punkt während des Fahrbetriebes unterschiedliche Spannungskollektive auf. Da die mathematische Berechnung der Belastungsfunktionen für die einzelnen Systempunkte nahezu unmöglich ist und die richtige Wahl der Parameter Schwierigkeiten bereitet, ist eine mathematische Berechnung des Scheibenrades nahezu unmöglich. Die Gestaltung des Scheibenrades wird daher unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen auf der Prüfmaschine ermittelt. Da die Beanspruchung periodisch verläuft, erfolgt die Prüfung im Dauerschwingversuch unter Zuhilfenahme von Umlaufbiegungen.

Es sind hierzu bereits Scheibenrad-Prüfmaschinen bekanntgeworden (deutsches Patent 10 00 168), bei denen eine Kraft oder ein Gewicht eine statische Last erzeugt und das Scheibenrad zusammen mit der Biegewelle umläuft. Bei der bekannten Vorrichtung wird über einen Lastarm, an welchem ein Gewicht befestigt ist und der zusammen mit dem Scheibenrad umläuft, dem Scheibenrad die Umlaufbiegung aufgeprägt

Aus der deutschen Auslegeschrift 10 63 403 sind des weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Das zu prüfende Scheibenrad ist hierbei ortsfest angeordnet und mit einem ebenfalls stillstehenden Erregerstab verbunden. Die Belastung wird durch eine umlaufende Unwuchtfliehkraft hervorgerufen. Diese bekannte Dauerfestigkeitsprüfmaschine arbeitet somit nach dem Prinzip der Unwuchtfliehkrafterzeugung.

Bei der Vorrichtung in der deutschen Patentschrift 10 00 168 kann keine laufende Beobachtung des zu untersuchenden Scheibenrades durchgeführt werden, so daß man den Rißbeginr. und den weiteren Rißverlauf kaum oder überhaupt nicht feststellen kann. Außerdem ist bei dieser Vorrichtung eine größere Antriebsenergie erforderlich, da das' Scheibenrad und der Aufspannflansch zusammen mit dem Erregerstab mitrotieren

müssen.

Bei der Dauerfestigkeitsprüfmaschine nach der deutschen Auslegeschrift 10 63 403 kann zwar eine laufende Beobachtung durchgeführt werden und auch die Antriebsenergie ist verhältnismäßig gering. Es erfolgt jedoch außer der Biegebelastung eine zwangläufig vorhandene zusätzliche Radialkraftbelastung, die sich nicht vermeiden läßt und die so groß sein kann, daß das gesamte Meßergebnis verfälscht wird.

Bei einem vorgegebenen bzw. gewünschten Prüfmoment hängt die aufzubringende Kraft von der Länge des Erregerstabes ab. Da dieser aber nicht beliebig lang ausgeführt werden kann, bedingt durch Eigenfrequenzen des Erregerstabes und konstruktive Überlegungen, kann die Prüfkraft Werte erreichen, die denen im Fahrbetrieb unähnlich sind, so daß durch ihre Größe die Bruchlastspielzahl des Scheibenrades entscheidend herabgesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Prüfen der Dauerfestigkeit von Rotationskörpern ein Prüfmoment so einzuleiten, daß die Radialkraftbelastung auf Null reduziert werden kann, so daß ausschließlich nur Biegemomente auftreten und keine oder in ihrer Größe einstellbare Radialkräfte miteingeleitet werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Biegemomentbelastung durch gleichgroße, entgegengesetzte und in unterschiedlichen Abständen zur Einspannfläche des Rotationskörpers am Erregerstab angreifende Querkräfte hervorgerufen wird.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung der am Erregerstab angreifenden Querkräfte der Erregerkopf umlaufende Gewichte aufweist, die in zur Einspannfläche des Rotationskörpers unterschiedliche Abstände aufweisenden Ebenen umlaufen.

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, die Beanspruchung des Scheibenrades auf ein Umlaufbiegemoment zu reduzieren. Nach den theoretischen Überlegungen ist es ausreichend, wenn man zur Grundlage der Prüfmethode des Scheibenrades die Beanspruchung des Scheibenrades auf ein Umlaufbiegemoment reduziert. Natürlich besteht auch die Möglichkeit, durch Verstellen der Gewichte von' einem radiallastfreien zu einem radiallastbeaufschlagten Scheibenrad bei der Prüfung zu gelangen.

Zur Erzeugung der Querkräfte kann ein Kräftepaar am Erregerstab der Prüfmaschine angreifen. Die von dem Kräftepaar hervorgerufenen Querkräfte können hierbei gegeneinander um 180° versetzt werden, so daß eine radiallastfreie Momenteneinleitung ermöglicht wird. Auch besteht bei der Erfindung die Möglichkeit einer Verstellung des Kräftepaares derart, daß man kontinuierlich von einem radiallastfreien zu einem radiallastbeaufschlagten Scheibenrad gelangen kann.

Die Abstände der Gewichte von der Rotationsachse des Erregerkopfes und der gegenseitige Winkelversatz der Gewichte können verstellbar sein. Die Gewichte können durch elastische Kupplungen od. dgl. miteinander verbunden sein, um eine möglichst geringe gegenseitige Beeinflussung der Fliehkräfte der Gewichte zuzulassen. In bevorzugter Weise sind am Erregerkopf zwei Gewichte vorgesehen. Die Gewichte können hierbei im Winkel zueinander verstellt werden, so daß bei einem Winkelversatz von 180° der beiden Gewichte eine radiallastfreie Momenteneinleitung erzielt wird und bei übereinstimmender Winkelstellung eine maximale Querkraft erzielt wird. Der Antrieb des Erregerkopfes kann über biegeelastische Mittel durch einen Motor erfolgen.

Das über den Erregerstab in das Scheibenrad eingeleitete Biegemoment kann mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen, die am Erregerstab vorzugsweise in dessen oberer Hälfte angebracht sind, gemessen und an einer Meßelektronik angezeigt werden. Auch kann in vorteilhafter Weise die Drehzahl der umlaufenden Gewichte in Abhängigkeit von der Auslenkung des Erregerstabes steuerbar sein. Man kann hierdurch eine Konstanthaltung des aufgebrachten Biegemomentes erreichen.

An Hand der Figur soll an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht, wobei ein Schnitt durch die Mittenachse der Vorrichtung gelegt ist.

Ein Scheibenrad 1 ist auf einem Maschinentisch 2 eines Gesamtgehäuses 3 vorzugsweise mit Spannpratzen 4 festgespannt. Ein als Biegestab ausgebildeter Erregerstab 5, der am oberen Ende zu einem Flansch 6 ausgeschmiedet ist, ist vorzugsweise je nach Lochkreisdurchmesser über bekannte Radbolzen 7 mit dem Scheibenrad 1 verbunden. Am anderen Ende des Biegestabes 5 ist ein Erregerkopf 8 vorgesehen. Der Erregerkopf 8 besteht aus einem oberen Teil 9 und einem unteren Teil 10, die durch vorzugsweise elastische Kupplungen 11 verbunden sind. Die elastischen Kupplungen 11 verhindern einen radialen Kraftfluß zwischen Teil 9 und 10. Die Teile 9 und 10 sind durch je ein Kugellager 12 und 13 am Biegestab 5 drehbar gelagert und weisen je ein radial verstellbares Gewicht 14 bzw. 15 auf. Die Teile 9 und 10 mit den Gewichten 14 und 15 können weiterhin in nicht dargestellter Weise zueinander um maximal 180° gedreht werden. Der Erregerkopf 8 kann durch einen Motor 16 angetrieben werden. Die Verbindung zwischen Motor 16 und Erregerkopf 8 kann durch einen Riementrieb 17 oder ähnliche Übertragungsmittel und über eine ausziehbare Kardanwelle 18 erfolgen. Die Kardanwelle 18 ist längenveränderlich, da die Fliehkraft eine Auslenkung des Biegestabes 5 hervorruft.

Vorzugsweise im Aufspannbereich des Scheibenrades 1 sind an dem Biegestab 5 Dehnungsmeßstreifen 19 vorgesehen, insbesondere vier, die je um 90° versetzt am Umfang angeordnet sind und deren Signale geometrisch addiert werden, so daß immer der maximale Wert vorliegt. Diese Dehnungsmeßstreifen messen das eingeleitete Biegemoment, und die Meßwerte werden an einer nicht dargestellten Elektronik angezeigt. Die Eichung des Wertes erfolgt mit einer Eicheinrichtung 20 in bekannter Weise bei Stillstand der Maschine. Eine Verbindung 22 zwischen Eicheinrichtung 20 und Erregerkopf 8 wird nach erfolgter Einstellung wieder gelöst.

Die Auslenkung des Biegestabes 5 wird vorzugsweise über berührungslose mechanisch-elektrische Meßwertaufnehmer 21 gemessen, wobei insbesondere zwei Aufnehmer zum Einsatz kommen, die um 90° zueinander am Umfang versetzt sind, so daß auch eine Bahn-Kurve der Auslenkung, die beispielsweise eine Ellipse ist, erfaßt werden kann. Die Meßwerte der Dehnungsmeßstreifen 19 und der Aufnehmer 21 werden weiterhin einem nicht dargestellten Regelkreis zugeführt, der die Überprüfung und Regulierung des eingeleiteten Drehmoments übernimmt.

Bei der Durchführung der Prüfung wird das Schei-

benrad 1, das auf dem Maschinentisch 2 festgespannt ist, über den Biegestab 5 mit einem Biegemoment beaufschlagt. Es wird hierbei der Motor 16 in Drehung versetzt, und über die Kardanwelle 18 wird diese Drehbewegung auf den Erregerkopf 8 übertragen. Bei der Drehung des Erregerkopfes 8 üben auf Grund ihrer IJnwuchtfliehkräfte die Gewichte 14 und 15 Querkräfte auf den Biegestab 5 aus. Diese Querkräfte können nun gleich bemessen sein, wobei beispielsweise die Gewichte 14 und 15 gleich groß bemessen sind und der Abstand der Gewichte von der Rotationsachse des Erregerkopfes gleich ist. Außerdem kann die Winkelversetzung, wie in der Figur dargestellt, 180° betragen. Man wird dann eine radialfreie Momenteneinleitung in das Scheibenrad 1 erzielen.

Die in das Scheibenrad eingeleitete Biegewechselbeanspruchung ruft nach einer gewissen Lastwechselzahl im Material des Scheibenrades Risse hervor, die immer größer werden, bis schließlich ein Dauerbruch erfolgt. Die Verringerung des Materialquerschnitts durch die Rißbildung bewirkt auch eine Verringerung der Steifigkeit und somit eine Vergrößerung der Erregerkopf-Ausleglenkung, so daß bei einem bestimmten maximalen Maß der Erregerkopf-Auslenkung die Maschine durch Betätigung eines nicht näher dargestellten Schalters automatisch stillgesetzt werden kann.
Um das aufgebrachte Biegemoment konstant zu halten, wird sowohl mittels der Meßwertaufnehmer 21 als auch mittels der Dehnungsmeßstreifen 19 die Auslenkung des Biegestabes 5 und die Veränderung des Biegemoments gemessen. In einem nicht näher dargestellten Regelkreis werden nun Ist- und Sollwert miteinander verglichen, und bei einer Differenzspannung wird die Drehzahl des Erregerkopfes 8 herabgesetzt, bis das vorgeschriebene bzw. das gewünschte Biegemoment wieder erreicht ist.

Die Eichung der Elektronik, welche die Meßwerte der Dehnungsmeßstreifen 19 auswertet, berücksichtigt den linearen Untersetzungsfaktor zwischen dem Biegemoment am Aufspannpunkt und dem Biegemoment an der Befestigungsstelle der Dehnungsmeßstreifen 19 sowie die geometrische und materialbedingte Eigenschaft des Erregerstabes, der Dehnungsmeßstreifen und den Übertragungsfaktor der Meßelektronik.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Prüfen der Dauerfestigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Scheibenrädern, bei dem der Rotationskörper ortsfest gehalten wird und mittels eines Erregerstabes, an welchen Querkräfte angreifen, eine Belastung in den Rotationskörper eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Biegemomentbelastung durch gleichgroße, entgegengesetzte und in unterschiedlichen Abständen zur Einspannfläche des Rotationskörpers (1) am Erregerstab (5) angreifende Querkräfte hervorgerufen wird.

2. Vorrichtung zum Prüfen der Dauerfestigkeit von Rotationskörpern, insbesondere Scheibenrädern, mit einer Einspanneinrichtung zum ortsfesten Halten des Rotationskörpers, einem Erregerstab, der mit einem Ende mit dem Rotationskörper verbindbar ist und am anderen Ende einen drehbaren Erregerkopf trägt, mit dem Querkräfte, welche am Erregerstab angreifen, erzeugbar sind, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der am Erregerstab (5) angreifenden Querkräfte der Erregerkopf (8) umlaufende Gewichte (14, 15) aufweist, die in zur Einspannfläche des Rotationskörpers (1) unterschiedliche Abstände aufweisenden Ebenen umlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Gewichte (14, 15) von der Rotationsachse des Erregerkopfes (8) und der gegenseitige Winkelversatz der Gewichte (14, 15) verstellbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichte (14, 15) durch elastische Kupplungen (11) miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gewichte (14, 15) am Erregerkopf (8) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichte so bemessen sind, daß die Summe der von ihnen ausgehenden Kräfte Null ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der umlaufenden Gewichte (14, 15) in Abhängigkeit von der Auslenkung des Erregerstabes (5) steuerbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Dehnungsmeßstreifen (19) zur Messung des Biegemoments am Erregerstab (5) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwertaufnehmer (21) zur Erfassung des Ausschlages des Erregerstabes (5) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer (21) um 90° versetzt am Umfang des Erregerstabes (5) vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis vorgesehen ist, der die von den Dehnungsmeßstreifen (19) und den Meßwertaufnehmern (21) gelieferten Spannungen vergleicht und bei Spannungsdifferenz die Drehzahl des Erregerkopfes (8) nachregelt, so daß ein konstantes Biegemoment in den Rotationskörper (1) eingeleitet ist.