DE3723450A1 - Vorrichtung zum erkennen von ueberbeanspruchungen an bauteilen aus faserverstaerktem kunststoff - Google Patents
Vorrichtung zum erkennen von ueberbeanspruchungen an bauteilen aus faserverstaerktem kunststoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Überbean
spruchungen an Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff.
Beispielsweise im Automobilbau finden vermehrt Bauteile aus faser
verstärktem Kunststoff Anwendung, weil diese bei geringem Gewicht
unter anderem hohe Festigkeitseigenschaften, günstige Formgestaltun
gen und definierte Materialbeanspruchungen ermöglichen. Bei sicher
heitsrelevanten Teilen, wie an der Lenkung des Kraftfahrzeuges (Lenk
säule, Lenkrad, Spurstangen etc.) ergeben sich aber Probleme hinsicht
lich der Bauteilebeurteilung bei Schädigungen, z. B. nach einem Un
fall. Wurde dabei die zulässige Belastung des Bauteiles überschrit
ten, dieses aber nicht sichtbar zerstört, so kann eine Strukturschä
digung (Faserrisse) vorliegen, die visuell nicht erkennbar ist. Zur
Prüfung des Bauteiles wären labormäßige Tests, Steifigkeitsuntersu
chungen oder eine Röntgen- oder Ultraschallprüfung mit dem entspre
chenden apparativen Aufwand erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Vorrichtung an den Bau
teilen zu schaffen, mit der gezielt und ohne zusätzlichen appara
tiven Aufwand eine mögliche Strukturschädigung der Bauteile erkennbar
ist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan
spruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist an dem Bauteil zumindest ein
Indikator angeordnet, der hinsichtlich seiner Dehnfähigkeit und/oder
seines Deformationsverhaltens so ausgelegt ist, daß er die maximal
auftretenden Betriebsbelastungen des Bauteiles unbeschadet übersteht,
bei höheren als den Betriebsbelastungen jedoch vor der ersten Schädi
gung des Bauteils eine bleibende Deformation oder Zerstörung erfährt.
Der Indikator reagiert also oberhalb des normalen Betriebsbereichs,
doch noch in dem Bereich, in dem eine Überbelastung mit einer ggf.
auftretenden Strukturschädigung des Bauteiles mit Sicherheit auszu
schalten ist und die visuell erkennbare Schädigungsgrenze des Bauteiles
ebenfalls noch nicht erreicht ist. Der Indikator wird demzufolge
auch bei Überbelastung des Bauteiles irreversibel beschädigt und
liefert somit visuell erkennbar ein Indiz, daß das Bauteil erneuert
oder zumindest einer gründlichen apparativen Überprüfung unterzogen
werden muß. In den nachstehend geschilderten Anwendungsfällen wird
man das Bauteil aus Kosten- und Sicherheitsgründen bei geschädigtem
Indikator erneuern.
Erfährt das Bauteil z. B. bei maximaler Betriebsbelastung eine Deh
nung von +0,2 bis -0,1% und dessen Schädigungsgrenze (Bruch etc.)
bei Überbeanspruchung liegt bei +0,8 bzw. -0,3%, so kann der In
dikator so ausgelegt sein, daß er bei einer Belastung zwischen +0,2
und +0,8% und zwischen -0,1 und -0,3%, z. B. bei ca. +/-0,25%
bleibend geschädigt wird. Das Überschreiten der Betriebsbelastung
ist dann an dem Indikator ablesbar. Der Indikator ist dabei so an
dem Bauteil anzuordnen, daß er mit dessen Betriebsbelastung gekoppelt
ist bzw. daß er im elastischen und ggf. plastischen Deformationsbereich
des Bauteiles liegt. Nähere Hinweise dazu gibt die nachfolgende Be
schreibung von Ausführungsbeispielen.
Der Indikator kann entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche
2 bis 9 durch eine auf die Oberfläche des Bauteiles aufgebrachte
Beschichtung, durch in das Bauteil eingebundene Formkörper oder durch
an dem Bauteil festgelegte Streifen oder Folien gebildet sein.
Besonders einfach kann entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2
und 3 eine Beschichtung, insbesondere ein auf die Oberfläche des
Bauteiles aufgetragener Lack verwendet sein. Der Lack ist hinsicht
lich seiner Dehnfähigkeit so eingestellt, daß bei einer Belastung
oberhalb der Betriebslast des Bauteiles aber vor einer Schädigung
des Bauteiles Risse oder Abplatzungen entstehen. Es ist jedoch darauf
zu achten, daß bei der Montage oder beim Betrieb des Bauteiles dessen
Oberfläche durch andere äußere Einflüsse nicht beschädigt wird.
Bei hohlen Bauteilen, beispielsweise bei einer Lenksäule eines Kraft
fahrzeuges mit ggf. einem daran angeformten Deformationsteil, kann
der Indikator als dünnwandiger Formkörper bzw. Büchse aus z. B. ge
blasenem Glas oder einem Kunststoff geringer Dehnfähigkeit gebildet
sein. Dies ergibt den besonderen Vorteil, daß der Indikator zugleich
als verlorener Kern bei der Herstellung bzw. Wicklung des Deforma
tionsteiles dient.
Ferner können als Indikatoren Streifen oder Folien verwendet sein,
die an dem im besonderen Maße spannungsbelasteten Bereichen des Bau
teiles an dessen Oberfläche angeordnet bzw. festgelegt sind. Bei
einer Belastung oberhalb der Betriebslast aber unterhalb der Schädi
gungsgrenze des Bauteiles werden wiederum die Indikatoren bleibend
verformt oder z. B. durch Einreißen beschädigt, so daß auch eine
Überbelastung mit Sicherheit bleibend erkennbar ist. Die Streifen
oder Folien können aus Blech, aus sprödem Kunststoff, aus Hartpappe
etc. gebildet sein.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden mit
weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung
zeigt in
Fig. 1 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Bauteiles aus Fa
serverbundwerkstoff, welches die Betriebsbelastung, die
Schädigungsgrenze und den Indikatorbereich des Bauteiles
aufzeigt;
Fig. 2 ein rohrförmiges Bauteil aus Faserverbundwerkstoff mit
einer Lack-Beschichtung an seiner äußeren Umfangsfläche;
Fig. 3 ein Deformationsglied aus Faserverbundwerkstoff einer
Lenksäule eines Kraftfahrzeuges mit einem verlorenen
Kern als Indikator; und
Fig. 4 ein Lenkhandrad aus Faserverbundwerkstoff für ein Kraft
fahrzeug mit streifenförmigen Indikatoren an den Spei
chen.
In dem Diagramm der Fig. 1 ist in der Horizontalen die Spannungs
belastung in MPa (Megapascal) und in der Vertikalen die Dehnung in
Prozent eines Bauteiles aus Faserverbundwerkstoff aufgetragen (Kurve
10). Dabei kennzeichnet der schraffierte Bereich die Betriebsbela
stung, die zwischen -0,1% und +0,2% Dehnung und zwischen -40
MPa und +80 MPa Spannung (Druck und Zug) liegt. Die Schädigungs
grenze (strichpunktierte Linie), bei der das Bauteil durch erste
Faserrisse, Delaminationen, Brechen, Reißen, Knicken etc. zerstört
wird, liegt bei +0,3% bzw. +0,8% Bruchdehnung und -120 MPa bzw.
+320 MPa Druck-, Zugspannung. Zwischen der Betriebsbelastunggrenze
(gestrichelte Linie) und der Schädigungsgrenze (strichpunktierte
Linie) liegt der Belastungsbereich, in dem das Bauteil nicht struk
turgeschwächt wird. In diesem Bereich, z. B. bei -0,25% oder +
0,25% Bruchdehnung und -100 MPa oder +100 MPa Spannung, wird der
Indikator (vgl. Fig. 2 bis 4) zerstört, verformt, etc. und somit
eine Belastung oberhalb der Betriebslast, mit Sicherheit also auch
eine schädigende Überbelastung des Bauteiles signalisiert.
Die 2 zeigt ein im Querschnitt birnenförmiges, rotationssym
metrisches Deformationsglied 12 aus Faserverbundwerkstoff, welches
an seinen Endabschnitten 14, 16 mit Anschlußteilen 18, 20 einer nicht
dargestellten Lenksäule eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Das
Deformationsglied 12 besteht aus einem rohrförmigen Wickelkörper,
der aus in einer Kunstharzmatrix eingebetteten Glasfasern gebildet
ist. Die Glasfasern 22 verlaufen in einem Wickelwinkel von +/-45
Grad um den Umfang des Deformationsgliedes 12. Über das Deformations
glied 12 wird als Betriebsbelastung sowohl ein Drehmoment als auch
eine axiale Kraft ausgeübt. Bei einem Unfall kann sowohl als Folge
eines erhöhten Drehmomentes als auch einer axialen Stauchkraft auf
die Lenksäule eine Überbelastung des Deformationsgliedes 12 auftreten.
Zum Erkennen einer derartigen Überbelastung ist die äußere Oberflä
che bzw. Umfangsfläche des Deformationsgliedes 12 mit einer Beschich
tung 24 aus einem hochvernetzten Zweikomponenten-PUR-Lack mit 30%
Calciumcarbonat als Füllstoff versehen. Dieser Lack ist hinsicht
lich der Füllmasse, der Härtungsbedingungen, der Haftungsbedingun
gen auf der Oberfläche des Deformationsgliedes und seiner Dehnfähig
keit derart eingestellt, daß er bei einer über der Betriebsbeanspru
chung des Deformationsgliedes 12 liegenden Belastung (vgl. Punkte
"Einsatz Indikator" der Kurve 10 in Fig. 2) zerstört wird bzw. Risse
und Abplatzungen 26 aufweist. Die Risse und Abplatzungen 26 bilden
ein visuell leicht erkennbares Indiz dafür, daß das Deformationsglied
12 überbelastet wurde und demzufolge ausgetauscht bzw. erneuert wer
den muß.
Die Beschichtung 24 kann auch aus einem anderen Lack oder beispiels
weise aus einem Glasüberzug bestehen. Entscheidend ist, daß die Be
schichtung eine Dehnfähigkeit aufweist, die zwischen der maximalen
Betriebsbelastung des Deformationsgliedes 12 als untere Grenze und
der Schädigungsgrenze des Deformationsgliedes 12 als obere Grenze
liegt. Es muß jedenfalls sichergestellt sein, daß zuerst eine Schä
digung des Indikators bzw. der Beschichtung und erst bei wesentlich
höheren Belastungen eine Schädigung des Deformationsgliedes 12 auf
tritt. Andererseits darf keine Schädigung des Indikators im Bereich
der Betriebsbelastung oder durch normale äußere mechanische oder
chemische Einflüsse auftreten.
Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Deformationsglied 28 einer nicht näher
dargestellten Lenksäule eines Kraftfahrzeuges. Das Deformationsglied
28 ist gebildet durch zwei Rohrstutzen 30, 32, an die ein im Durch
messer vergrößerter Abschnitt nach Art eines Jägerzaunes angewickelt
ist. Der Wickelwinkel der sich kreuzenden Faserstränge 34, die wie
derum in Kunstharz eingebettet sind, beträgt +/-60 Grad. Die Faser
stränge 34 sind dabei um eine rohrförmige, dünnwandige Büchse 36
als verlorener Kern gewickelt, wobei die Büchse 36 zugleich als In
dikator für eine ggf. auftretende Überbelastung des Deformations
gliedes 28 dient. Die Büchse 36 besteht aus geblasenem Glas, um das
herum die Faserstränge 34 des Jägerzaun-Abschnittes des Deformations
gliedes 28 gewickelt sind. Bei einer Belastung des Deformationsgliedes
28 über dessen maximale Betriebsbelastung hinaus wird die Bruchdeh
nung der gläsernen Büchse 36 überschritten, so daß diese noch vor
Erreichen der Schädigungsgrenze des Deformationsgliedes 28 zerstört
wird.
Anstelle einer gläsernen Büchse kann auch ein Kunststoffrohr, z.B.
ein feucht verarbeitetes Polybutylenterephthalat oder eine der üb
lichen duroplastischen Formmassen, z. B. auf Melamin-/Formaldehyd
basis verwendet sein. Das Kunststoffrohr kann hinsichtlich seiner
Dehnfähigkeit und Dimensionierung so eingestellt sein, daß es vor
einer schädigenden Überbelastung des Deformationsgliedes 28 einreißt
bzw. Risse aufweist oder splittert und dadurch auch eine stattgefun
dene schädigende Überbelastung mit Sicherheit signalisiert.
Die Fig. 4 zeigt ein Lenkhandrad 38 eines Kraftfahrzeuges mit einer
Lenkradnabe 40, mehreren Speichen 42 und einem Lenkradkranz 44. Das
Lenkrad 38 ist mit Ausnahme eines metallischen Nabeneinsatzes 46
aus Faserverbundwerkstoff hergestellt. An den Lenkradspeichen 42
sind an definierten Stellen Metallstreifen bzw. Blechstreifen 46,
48 als Indikatoren befestigt. Die Blechstreifen 46, 48, deren Endab
schnitte (nicht dargestellt) beispielsweise in die Speichen mit ein
gewickelt sind, sind an Stellen angeordnet, die aufgrund von empiri
schen Versuchen und Messungen als potentiell besonders belastete
Stellen ermittelt wurden. Es sind somit Stellen, an denen sowohl
bei unzulässig hohen Betriebsbelastungen als insbesondere auch bei
Unfällen Strukturschäden oder Spannungsspitzen nachgewiesen wurden.
Ferner sind Bereiche relevant, die während der Überbelastung in er
höhtem Maße elastischen Deformationen unterliegen.
Tritt eine Belastung oberhalb der Betriebsbelastung des Lenkhandra
des auf, so stellt sich durch dessen elastische Verformung im Bela
stungsmoment eine Deformierung der Blechstreifen 46, 48 ein, die
bleibend ist und somit visuell leicht erkennbar eine Überbelastung
anzeigt. Das Lenkhandrad 38 ist somit bei deformierten Blechstrei
fen 46, 48 auszuwechseln oder aber einer fundierten Überprüfung zu
unterziehen.
Es versteht sich, daß die streifenförmigen Indikatoren bzw. Blech
streifen 46, 48 auch an anderen als an den gezeigten Stellen des
Lenkhandrades angeordnet sein können, beispielsweise im Bereich der
Nabe 40. Anstelle von Blechstreifen können auch extrem spröde Kunst
stoffstreifen verwendet sein, die sich bei entsprechender Verformung
an den Knick- oder Verformungsstellen verfärben (sogenannter Weiß
bruch). Ferner kann es zweckmäßig sein, die Indikatoren gemäß den
Fig. 2 bis 4 in einer Kontrastfarbe zum übrigen Bauteil auszubilden,
so daß dessen besondere Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des
Bauteiles entsprechend hervorgehoben und die Schadensfeststellung
noch erleichtert wird.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Erkennen von Überbeanspruchungen an Bauteilen
aus faserverstärktem Kunststoff, gekennzeichnet durch zumindest
einen am Bauteil angeordneten Indikator (Beschichtung 24; Hülse
36; Blechstreifen 46, 48), der vor einer schädigenden Beanspruchung
des Bauteiles bleibend und visuell erkennbar geschädigt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bau
teil (12) mit einer Beschichtung (24) als Indikator versehen ist,
wobei die Beschichtung eine Dehnfähigkeit aufweist, die über der
bei Betriebsbelastung des Bauteiles auftretenden Dehnung, jedoch
unterhalb der an der Schädigungsgrenze des Bauteiles auftreten
den Dehnung liegt.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein hochvernetzter Zweikomponenten-PUR-Lack
mit ca. 30% Füllstoff, wie Calciumcarbonat (Kreide) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Indi
kator ein in das Bauteil (28) eingebundener Formkörper (Hülse
36) mit einer wesentlich geringeren Dehnfähigkeit ist, welcher
bei einer oberhalb der Betriebsbelastung des Bauteiles auftreten
den Dehnung visuell erkennbar geschädigt wird.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Formkörper (Hülse 36) bei der Herstellung des Bauteiles
(28) zugleich als verlorener Kern dient.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Formkörper (36) aus geblasenem Glas oder einem
spröden Kunststoff mit einer geringeren Bruchdehnung besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumin
dest ein streifen- oder folienförmiger Indikator an deformations-
oder bruchgefährdeten Stellen des Bauteiles angeordnet ist, wel
cher vor einer schädigenden Belastung des Bauteiles bleibende
Veränderungen wie Verbiegung, Risse, Verfärbungen (z. B. Weiß
bruch) etc. erfährt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die In
dikatoren durch Blechstreifen (46, 48) gebildet sind, die an ih
ren Enden mit dem Bauteil (38) verbunden, insbesondere in das
Bauteil (38) eingebunden sind.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatoren aus duroplasti
schem Kunststoff (z. B. auf Melamin-/Formaldehydbasis) oder aus
einem spröden thermoplastischen Kunststoff, z. B. einem feucht
verarbeiteten Polybutylenterephthalat bestehen, die in einer Kon
trastfarbe zum Bauteil (38) hergestellt sind und die sich bei
über der Betriebsbelastung des Bauteiles liegender Belastung zer
stören oder durch Verformung verfärben (Weißbruch).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873723450 DE3723450A1 (de) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Vorrichtung zum erkennen von ueberbeanspruchungen an bauteilen aus faserverstaerktem kunststoff |
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DE19873723450 DE3723450A1 (de) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Vorrichtung zum erkennen von ueberbeanspruchungen an bauteilen aus faserverstaerktem kunststoff |
Publications (2)
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DE3723450C2 DE3723450C2 (de) | 1989-09-07 |
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ID=6331642
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DE19873723450 Granted DE3723450A1 (de) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Vorrichtung zum erkennen von ueberbeanspruchungen an bauteilen aus faserverstaerktem kunststoff |
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