DE3938648A1 - Polyurethanschaum-modell und verfahren zum messen von spannungsverteilungen an einem solchen modell - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Modell zum Messen von Span­ nungsverteilungen an einer Nachbildung eines gegossenen oder geschmiedeten Erzeugnisses und ein Verfahren zum Messen der Spannungsverteilungen in einem gegossenen oder geschmiedeten Erzeugnis.

Die Untersuchung der Spannungsverteilung in Maschinen­ teilen wird häufig mittels einer Computeranalyse oder durch Messungen der Spannungsverteilung am Originalteil ausgeführt. Wenn jedoch gegossene oder geschmiedete Metallteile eine kom­ plizierte Form haben, wird die Spannungsverteilung gewöhnlich dadurch ermittelt, daß aus den entsprechenden Materialien Mu­ ster hergestellt werden und diese belastet werden, um die sich ergebende Verformung zu bestimmen.

Für eine Dehnungsmessung an solchen gegossenen oder ge­ schmiedeten Erzeugnissen werden verschiedene Methoden ange­ wendet. Da das Dehnungsmeßstreifenverfahren relativ einfach und für quantitative Messungen gut geeignet ist, wird es sehr häufig benutzt.

Beim Dehnungsmeßstreifenverfahren wird eine Anzahl von Widerstandsdraht-Dehnungsmeßstreifen an dem gegossenen oder geschmiedeten Erzeugnis angebracht, und das Erzeugnis wird einer Belastung unterworfen, die der tatsächlichen Last ent­ spricht, und die Spannungsverteilung wird gemessen. Auf der Basis der Ergebnisse der Messung können dann geeignete Maßnahmen durchgeführt werden, wie eine Versträkung von Teilen mit nicht ausreichender Festigkeit, eine Verringerung der Dicke von Teilen mit übermäßiger Steifigkeit usw. Unter mehrfacher Wiederholung der Messung der Spannungsverteilung wird die Beschreibung weitergeführt, bis das Erzeugnis eine Form hat, die eine zufriedenstellende Spannungsverteilung zeigt.

Dementsprechend wird, bis die optimale Form mit einer gleichmäßigen Spannungsverteilung erhalten wird, das gegossene oder geschmiedete Original-Erzeugnis mehrere Male hergestellt, und die Spannungsverteilung wird an jedem einzelnen dieser Erzeugnisse wiederholt, mit einem erheblichen Aufwand an Zeit und Arbeit. Insbesondere bei der Entwicklung neuer Teile ist die für diesen Entrwicklungsschritt benötigte Zeit unvermeid­ lich sehr lang.

Angesichts dieses Umstandes wurde bereits versucht, an Modellen, die aus einem weicheren Material wie das Original- Erzeugnis sind, aus den Beziehungen zwischen Belastungen und den entsprechenden Verformungen die Spannungsverteilung abzu­ leiten. Als Material für solche Modelle wurde Glas, Epoxidharz usw. verwendet. Zur Analyse der Spannungsverteilung in diesen Modellen wurden u. a. spannungsoptische Untersuchungen durch­ geführt. Dazu sind jedoch sehr erfahrene Leute und eine auf­ wendige Apparatur erforderlich.

Es wurde von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung bereits früher eine Messung der Verformung an einem ein­ stückigen Modell aus Polyurethanschaum vorgeschlagen, das an vorbestimmten Stellen mit einer Anzahl von Widerstandsdraht- Dehnungsmeßstreifen versehen und einer Belastung unterworfen wird (The Journal of Automobile Technology Society, Japan, Nr. 27, 1983, Seiten 84 bis 90; Castings, Band 57 Nr. 8, Seiten 485 bis 490 (1985)). Durch die Verwendung eines solchen Poly­ urethanschaummodells ist es möglich, die Spannungsverteilung im Original-Erzeugnis im großen und ganzen zu erkennen. Durch die Befestigungsfolien für die Widerstandsdraht-Dehnungsmeß­ streifen und die Klebemittel zum Anbringen der Meßstreifen am Modell sind jedoch erhebliche Meßfehler unvermeidlich, und zur Ausführung der Messungen ist sehr viel Erfahrung erforderlich. Es wurde deshalb in dem Artikel in "The Journal of Automobile Technology Society" bereits vorgeschlagen, unter den Klebe­ mitteln zur Anbringung der Meßstreifen eine Beschichtung vorzusehen. Durch das Aufbringen einer solchen Unterschicht allein war es jedoch nicht möglich, die Meßfehler zu beseitigen.

Da Polyurethanschaum einen gegenüber Metallen wie Stahl extrem verschiedenen Oberflächen-Reibungskoeffizienten und ein wesentlich größeres Verhältnis des Elastizitätsmoduls zur Dichte aufweist, werden außerdem in Abhängigkeit von der Be­ festigung oder Einspannung der Polyurethanschaummodelle große Meßfehler erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Polyurethan­ schaummodell und ein Verfahren zum Messen von Spannungsver­ teilungen durch Dehnungsmeßstreifen mit kleinen Meßfehlern unter Verwendung eines solchen Modells zu schaffen.

Als Ergebnis intensiver Untersuchungen haben die Erfinder festgestellt, daß durch eine geeignete Unterschicht an den einzelnen Anbringungsstellen von Dehnungsmeßstreifen an einem Polyurethanschaummodell das Modell durch die Meßstreifen weniger beeinträchtigt wird, wodurch die Daten über die Deh­ nung insgesamt gleichmäßiger werden, so daß die Messung der Spannungsverteilung mit sehr viel höherer Genauigkeit ausge­ führt werden kann. Wenn das Polyurethanschaummodell mit kleinstmöglicher Reibung an Halteelementen gehalten wird, können zusätzlich Bedingungen für die Einspannung erhalten werden, die denen für die Original-Metallteile entsprechen. Die Genauigkeit der Messung wird dadurch weiter erhöht.

Das erfindungsgemäße Modell zum Messen von Spannungsver­ teilungen besteht daher aus einem leichten, einstückigen Poly­ urethanschaumteil mit geringen Ungleichmäßigkeiten in der Dichte, wobei das Polyurethanschaumteil an vorgegebenen Stellen mit einer Unterschicht versehen ist, auf die ein Widerstandsdraht-Dehnungsmeßstreifen durch ein Klebemittel aufgebracht wird. Die Unterschicht hat jeweils eine Dicke von 50 bis 300 µm und besteht aus einem Material, das mit dem Polyurethanschaum nicht reagiert, kaum darin eindringt und weicher ist als dieser.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen von Spannungs­ verteilungen mittels des Polyurethanschaummodells beinhaltet das Halten des Modells durch eine oder mehrere Halteelemente an solchen Stellen, die den Aufhängungs- bzw. Befestigungspunkten am Original-Metallteil entsprechen, und das Aufbringen einer Last an das Modell an einer Stelle, die der Stelle am Origi­ nalteil entspricht, an der eine Last tatsächlich einwirkt. Es kann dadurch die Spannungsverteilung in dem Polyurethan­ schaummodell unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen für die Befestigung bzw. die Einspannung wie am Originalteil ermittelt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 5 schematische Ansichten zur Darstellung verschiedener Verfahren zum Messen von Spannungsverteilungen anhand von Polyurethanschaummodellen;

Fig. 6 die Seitenansicht eines Modells zur Messung der Spannungsverteilung, das die Form einer Hinterachse eines LKWs hat;

Fig. 7 grafisch die Spannungsverteilung im Modell der Fig. 6 und diejenige in der Original-Achse;

Fig. 8 die Seitenansicht eines Modells zum Messen der Spannungsverteilung in der Form einer Kraftfahrzeug-Vorder­ achse bei der Messung der Spannungsverteilung;

Fig. 9 die Ergebnisse der Messung der Spannungsverteilung an einer Kraftfahrzeug-Vorderachse und deren Modell zusammen mit einer Seitenansicht einer Original-Vorderachse; und

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein Modell zum Messen der Spannungsverteilung für ein Verbundmetallelement.

Das beschriebene Polyurethanschaummodell kann durch jedes geeignete Verfahren hergestellt werden, vorzugsweise wird jedoch aus Gründen der Einfachheit ein Polyurethanschaumblock in die gewünschte Form geschnitten. Dazu sollte der Poly­ urethanschaumblock gut bearbeitbar sein.

Da der Elastizitätsmodul von Polyurethanschaum generell etwa gleich ¹/₁₀₀₀ des Elastizitätsmoduls des Gußeisen u. ä. ist, kann Polyurethanschaum durch eine sehr kleine Belastung verformt werden, wodurch es möglich ist, leicht und einfach Spannungsverteilungen zu erhalten. Wenn der Elastizitätsmodul des verwendeten Polyurethanschaums jedoch kleiner ist als etwa 5 N/mm² (0,5 kgf/mm²), ist der Schaum zu weich und zu leicht deformierbar und hat eine nicht ausreichende Härte, mit der Folge einer Abnahme der Meßgenauigkeit. Wenn der Elasti­ zitätsmodul andererseits größer ist als etwa 15 N/mm² (1,5 kgf/mm²), läßt sich der Polyurethanschaum nicht mehr gut deformieren und bricht leicht. Der Elastizitätsmodul des Polyurethanschaums liegt dementsprechend vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 N/mm².

Da der Polyurethanschaum an seiner Oberfläche unzählige Poren aufweist, kann durch direktes Ankleben von Widerstands­ draht-Dehnungsmeßstreifen keine ausreichende Haftfestigkeit erhalten werden, mit dem Ergebnis der ungenauen Erfassung von Verformungen der Modelloberfläche durch den Meßstreifen. An den Anbringungsstellen für die Meßstreifen sind daher am Modell darunterliegende Unterschichten vorgesehen. Durch das Aufbringen der darunterliegenden Unterschicht werden die Poren in der Oberfläche des Polyurethanschaums gefüllt, so daß sich eine gute Haftfähigkeit der Meßstreifen ergibt.

Um durch das Aufbringen des Mittels für die Unterschicht die mechanischen Eigenschaften des Modells nicht zu ändern, sollte dieses Mittel mit dem Polyurethanschaum nicht reagieren und in den Schaum nur sehr wenig eindringen. Zusätzlich sollten die durch Trocknen des Mittels ausgebildeten Schichten weicher sein als der Polyurethanschaum selbst. Wenn diese Schichten härter sind als der Polyurethanschaum, verhindern sie die Verformung des Modells, mit der Folge, daß nur Ver­ formungen erfaßt werden, die sich erheblich von den "echten" Verformungen unterscheiden. Wenn die Unterschichten weicher sind als der Polyurethanschaum, wird zwar die Verformung des Modells von diesen Schichten etwas absorbiert, der Anteil der absorbierten Verformung ist jedoch über das gesamte Modell im wesentlichen gleich. Die gemessenen Daten zeigen daher keine verringerte Genauigkeit.

Die Mittel für die Unterschicht sind vorzugsweise Kleber aus synthetischem Gummi, insbesondere Styrol-Butadien-Kaut­ schukkleber. Diese Kleber enthalten vorzugsweise 40% an synthetischem Gummi und 60% an organischem Lösungsmittel wie Cyclohexan, Normalheptan, Petroläther (Leichtbenzin), Aceton usw.

Als Klebemittel zum Anbringen der Widerstandsdraht- Dehnungsmeßstreifen auf den darunterliegenden Schichten kann jeder geeignete Klebstoff verwendet werden, der nicht mit den Unterschichten reagiert und der dazu eine gute Haftfestigkeit zeigt. Unter dem Gesichtspunkt des Anbringungsvorganges werden Sofortkleber bevorzugt.

Die mittels der Widerstandsdraht-Dehnungsmeßstreifen erfaßten Verformungen sind im allgemeinen kleiner als die tatsächlichen Verformungen, da die Oberfläche des Polyurethan­ schaummodells durch die Befestigungsfolie der Widerstands­ draht-Dehnungsmeßstreifen, den Klebern und den Unterschichten versteift wird. Die von den Meßstreifen erfaßten scheinbaren Verformungen sollten daher kalibriert werden. Diese Kalibrie­ rung erfolgt durch Verwendung zweier Gruppen von Testkörpern, die aus dem gleichen Polyurethanschaum bestehen wie das Mo­ dell, wobei die eine der Gruppen mit Widerstandsdraht-Deh­ nungsmeßstreifen versehen wird und die andere Gruppe ohne Dehnungsmeßstreifen bleibt. Es werden dann die Verformungen an beiden Testkörpergruppen gemessen, um die Beziehungen zwischen den Spannungen und Verformungen zu bestimmen und zu verglei­ chen.

Durch eine solche Kalibrierung können die echten Ver­ formungen aus den gemessenen Verformungen abgeleitet werden. Da die Art der Anbringung der Dehnungsmeßstreifen (Arten der Aufbringung und Menge der darunterliegenden Mitteln und Kle­ bern) unvermeidlich an den einzelnen Stellen verschieden sind, besteht eine Ungleichmäßigkeit zwischen den gemessenen Verfor­ mungen, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt werden. Das heißt, das der gemessene, scheinbare Elastizitätsmodul von Stelle zu Stelle verschieden ist. Der Grad der Ungleichmä­ ßigkeit im Elastizitätsmodul hängt von der Dicke der darun­ terliegenden Unterschichten ab: Je dünner die darunterlie­ genden Schichten sind, desto größer ist die Ungleichmäßigkeit. Wenn andererseits die darunterliegenden Schichten zur Ver­ ringerung dieser Ungleichmäßigkeit dicker gemacht werden, verringert sich die Empfindlichkeit der Dehnungsmeßstreifen. Mit anderen Worten wird, wenn die Empfindlichlich (Verhältnis der echten Dehnung zur gemessenen Dehnung) angehoben wird, die Ungleichmäßigkeit im scheinbaren, gemessenen Elastizitätsmodul größer. Es ist deshalb erforderlich, einen geeigneten Bereich für die Dicke der darunterliegenden Schicht zu finden, um eine optimalen Ausgleich zwischen der Empfindlichkeit und der Ungleichmäßigkeit im scheinbaren Elastizitätsmodul zu er­ halten.

Die Ungleichmäßigkeit im scheinbaren Elastizitätsmodul kann dadurch gemessen werden, daß an einen ebenen Prüfkörper aus dem gleichen Polyurethanschaum wie für das Modell Deh­ nungsmeßstreifen angebracht werden und der Prüfkörper so ge­ bogen wird, daß die Spannung gleichmäßig ist und daß die Aus­ gangssignale der Dehnungsmeßstreifen verglichen werden. Bei dem vorstehend beschriebenen Polyurethanschaummodell liegt die Ungleichmäßigkeit im scheinbaren Elastizitätsmodul notwen­ digerweise innerhalb ±10%. Dazu sollte die Dicke einer jeden darunterliegenden Unterschicht gleich 50-300 µm sein. Wenn die Dicke kleiner ist als 50 µm, kann der Einfluß durch die Steifigkeit des Dehnungsmeßstreifens nicht verringert werden, mit der Folge einer Ungleichmäßigkeit im scheinbaren Elastizitätsmodul von größer als ±10%. Wenn andererseits die Dicke größer ist als 30 µm, wird die Verformung des Polyurethanschaummodells übermäßig absorbiert, mit dem Ergebnis zu kleiner Ausgangssignale von den Dehnungsmeß­ streifen. Damit der scheinbare Elastizitätsmodul eine Un­ gleichmäßigkeit innerhalb ±10% zeigt, sollten die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßten, scheinbaren Verformungen gleich 4% oder mehr der tatsächlichen Verformung sein. Wenn die darunterliegenden Schichten dicker als 300 µm sind, sind die erfaßten Verformungen kleiner als 4% der tatsächlichen Ver­ formungen, mit der Folge großer Meßfehler.

Das beschriebene Polyurethanschaumodell zum Messen von Spannungsverteilungen ist nicht nur auf einstückige gegossene oder geschmiedete metallische Erzeugnisse anwendbar, sondern auch auf Verbundmetallelemente, die durch eine Anzahl von Metallteilen gebildet werden. In diesem Fall werden Poly­ urethanschaume mit verschiedenen Elastizitätsmodulen ver­ wendet, deren Verhältnisse gleich den Verhältnissen der Ela­ stizitätsmodule der verwendeten Metallteile sind, um Verbund­ modelle herzustellen.

Da der Polyurethanschaum für das Modell, wie oben angegeben, vorzugsweise einen Elastizitätsmodul im Bereich von 5 bis 15 N/mm² hat, kann daraus ein zusammengesetztes Modell zum Messen der Spannungsverteilung hergestellt werden, solange das entsprechende Verbundmetallelement durch Metall­ teile gebildet wird, deren Elastizitätsmodule sich maximal wie 3 : 1 verhalten. Entsprechend können nicht nur Verbundmetall­ elemente aus gegossenen Eisenteilen, sondern auch solche, die durch Stahlteile, Aluminiumteile usw. gebildet werden, durch ein Polyurthanschaummodell nachgebildet werden.

Im folgenden wird das Verfahren zum Messen der Span­ nungsverteilungen genauer erläutert.

Für die Messung der Spannungsverteilung wird das Poly­ urethanschaummodell denselben Belastungszuständen wie das Original-Erzeugnis unterworfen, und es werden dabei die Aus­ gangssignale der Widerstandsdraht-Dehnungsmeßstreifen erfaßt. Es ist anzumerken, daß Polyurethanschaum einen größeren Ober­ flächen-Reibungskoeffizienten hat als Metallteile etwa aus Stahl, und das Polyurethanschaum ein größeres Verhältnis der Dichte zum Elastizitätsmodul aufweist als gegossene oder ge­ schmiedete Erzeugnisse. Die Belastungsbedingungen im Modell sind daher von denen in einem Original-Erzeugnis verschieden, mit dem Ergebnis eines großen Meßfehlers.

Es sollen nun zuerst die durch den Unterschied im Ober­ flächen-Reibungskoeffizienten verursachten Meßfehler erläutert werden. Wie in der Fig. 2 gezeigt, wird ein Modell 1, das auf einem Paar von Halteelementen 2 aufliegt und auf das eine Last F ₁ einwirkt, so deformiert, wie es durch die gestrichelten Linien 1′ dargestellt ist. Dabei entstehen Reibungskräfte f ₁ und f ₂ an den Stellen, an denen das Modell 1 mit den Halteelementen 2 in Kontakt steht. Diese Reibungskräfte f ₁ und f ₂ führen zu einem Meßergebnis, das einer kleineren Last als der tatsächlichen einwirkenden Last F ₁ entspricht.

Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, werden diejenigen Stellen des Polyurethanschaummodells, die mit dem Halte­ elementen in Kontakt kommen, durch Aufbringen einer Folie oder einer Beschichtung mit glatter Oberfläche so behandelt, daß sie eine kleinere Reibung zeigen. Die Folie oder Beschichtung kann nur auf die Kontaktflächen des Polyurethanschaummodells aufgebracht werden oder auch die gesamte Oberfläche des Modells. Auch die Halteelemente können durch eine Folie oder eine Beschichtung abgedeckt werden. Die Fig. 1 zeigt schema­ tisch ein Beispiel, bei dem das Modell 1 jeweils an den Kon­ taktstellen mit den Halteelementen 2 mit einem schmalen Band 3 mit einer glatten Oberfläche versehen ist. Durch diese schma­ len Bänder 3 wird die Reibung zwischen dem Modell 1 und den Halteelementen 2 stark verringert, so daß die Reibung mehr der Reibung entspricht, wenn ein Originalteil mit den Halteele­ menten in Kontakt gebracht wird.

Im folgenden werden die aus dem Unterschied im Verhältnis der Dichte zum Elastizitätsmodul entstehenden Meßfehler ge­ schildert. Polyurethanschaum hat im Verhältnis zum Elastizi­ tätsmodul ein größeres Gewicht als ein gegossenes oder ge­ schmiedetes Erzeugnis. Entsprechend sind die Belastungsbe­ dingungen in einem Polyurethanschaummodell von denen eines Original-Metallteils verschieden, auch wenn das Modell auf die gleiche Weise wie das Originalteil gehalten wird, mit dem Ergebnis eines großen Meßfehlers. Das heißt, daß im Falle des Polyurethanschaummodells relativ zum Elastizitätsmodul eine größere Reibung erzeugt wird wie im Falle des Original-Me­ tallteils. Anhand der Fig. 3 wird dies näher erläutert. Ein Modell 5 mit je einem Loch an beiden Enden wird an dem einen Ende von einer feststehenden Haltevorrichtung 6 und am anderen Ende von einer beweglichen Haltevorrichtung 7 schwenkbar ge­ halten. Wenn eine Kraft F ₂ in der Richtung von der Rückseite zur Vorderseite des Papiers (senkrecht zur Ebene der Fig. 3) zur Messung einer seitlichen Biegespannung im Modell 5 auf die Haltevorrichtung 7 einwirkt, ist aufgrund der Reibung in der Kontaktfläche zwischen der Haltevorrichtung 7 und der Unter­ lage 8 die tatsächlich auf das Modell 5 einwirkende Kraft kleiner als F ₂. Es kann zwar die Kontaktfläche zwischen der Haltevorrichtung 7 und der Unterlage 8 glatter gemacht werden, um den Meßfehler zu verringern. Alternativ können auch Rollen unter der Haltevorrichtung 7 vorgesehen werden. Trotzdem treten erhebliche Meßfehler auf, da im Falle von Poly­ urethanschaum das Verhältnis der Dichte bzw. des spezifischen Gewichts zum Elastizitätsmodul extrem groß ist und bereits eine geringe Reibung einen großen Meßfehler verursacht.

Zur Beseitigung dieses Problems braucht jedoch nur das freie Ende des Modells von einem losen Faden gehalten zu wer­ den. Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel, bei dem das Modell 5 von der Haltevorrichtung 7 gehalten wird, die seinerseits an einem Faden 9 aufgehängt ist, um jegliche Reibung zu vermeiden, die an der Unterseite der Haltevorrichtung 7 entstehen könnte. Die Haltevorrichtung 7 wird übrigens auch durch einen seitlichen Faden 10 in Position gehalten. Bei dieser Anordnung ist die Reibung aufgrund des Gewichts des Modells 5 und der Haltevor­ richtung 7 minimal, so daß die Spannungsverteilung mit einem kleinen Fehler gemessen werden kann.

Auch in der Fig. 4, gemäß der das Modell 5 durch die Haltevorrichtungen 6 und 7 drehbar gehalten wird, sind die Kontaktflächen 60 und 70 zwischen dem Modell 5 und den Halte­ vorrichtungen 6 und 7 zur Verringerung der Reibung dazwischen mit einer Folie oder eine Beschichtung versehen. Dadurch kann bei einer Messung der Spannungsverteilung durch Anlegen einer Last F ₃ an das Modell 5 von oben ein größerer Meßfehler auf­ grund der Reibung zwischen den Haltevorrichtungen und dem Modell vermieden werden.

Wie in der Fig. 5 gezeigt, kann die Messung der Spannungsverteilung auch dadurch erfolgen, daß das Modell 1 durch ein Halteelement 2 mit dreieckförmigem Querschnitt und einen Faden 11 gehalten wird. Der Faden 11 ist über eine Rolle 13 mit einem Gewicht 12 verbunden. Wenn auf das Modell 1 eine Last F ₄ einwirkt, sollte das Gewicht 12 vergrößert werden, um das Modell 1 für die Messung der Spannungsverteilung im Gleichgewicht zu halten.

Durch das Halten eines Endes des Modells durch einen Faden, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, wird keine Reibung erzeugt, da beim Anlegen einer Last an das Modell der Faden, an dem das Modell hängt, vertikal bzw. horizontal beweglich ist.

Zum Anlegen einer Last an das Modell ist vorzugsweise im Falle einer Punktlast ein Faden und im Falle einer Flächenlast ein schmales Band zu verwenden. Die Halteelemente bestehen ebenfalls vorzugsweise aus Polyurethanschaum. Die Einrichtung zum Anlegen der Last an das Modell sollte natürlich auch aus einem leichten Material wie Balsaholz bestehen, um den Einfluß durch das Gewicht der Einrichtung so klein wie möglich zu halten.

Die Verwendung von Polyurethanschaum als Material für das Modell zum Messen von Spannungsverteilungen ermöglicht eine sehr einfache Herstellung des Modells, was es wiederum er­ leichtert, eine gleichförmige Spannungsverteilung innerhalb kurzer Zeit durch Wiederholung der Messungen zur Spannungsver­ teilung zu finden.

Durch das Anbringen von Unterschichten, die mit dem Poly­ urethanschaum nicht reagieren und nicht in ihn eindringen und die auch weicher sind als der Polyurethanschaum, wird das Auf­ treten von der Oberflächeneffekten am Modell durch das Anbringen von Widerstandsdraht-Meßstreifen vermindert, wodurch die Ungleichmäßigkeiten im scheinbar gemessenen Elastizitätsmodul über die gesamte Oberfläche des Modells verringert werden. Es kann mit solchen Widerstandsdraht-Dehnungsmeßstreifen daher eine sehr genaue Messung ausgeführt werden.

Es können auch die Spannungsverteilungen in Verbund­ metallelementen aus einer Anzahl von Metallteilen mittels Polyurethanschäumen mit verschiedener Steifigkeit, deren Ver­ hältnisse proportional zu den Verhältnissen der Elastizitäts­ module der Metallteile sind, gemessen werden.

Da zwischen dem Modell und den Halteelementen bei der Messung der Spannungsverteilung Folien oder Beschichtungen vorgesehen sind, um die gleichen Belastungsbedingungen wie bei Originalteilen zu erhalten, oder da ein Ende des Modells an einem Faden aufgehängt ist, können Messungen der Spannungs­ verteilung mit minimalem Fehler ausgeführt werden. Im fol­ genden werden noch einige Beispiele für das erfindungsgemäße Polyurethanschaummodell und das Verfahren zum Messen der Spannungsverteilung angegeben.

Beispiel 1

Ein Modell 14 in der Form einer Hinterachse eines LKW, wie es in der Fig. 6 gezeigt ist, wurde aus einem Polyurethan­ schaumblock im Maßstab 1 : 2 verkleinert ausgeschnitten. Der Polyurethanschaumblock hatte eine Dichte von 0,06 ± 0,006 g/cm³ und einen Elastizitätsmodul von 10,3 N/mm².

Entlang zweier Linien "a" und "b", die sich axial er­ strecken, wurden eine Anzahl von Widerstandsdraht-Dehnungsmeß­ streifen an diesem Modell 14 angebracht. Jeder Dehnungsmeß­ streifen wurde durch Aufbringen eines darunterliegenden Mittels ("Bond G Clear" des Herstellers Konishi K. K.) und Stehenlassen für 5 Minuten, erneutes Aufbringen des gleichen darunterliegenden Mittels und des Aufbringens eines Klebstoffs ("Strain Gauge Cement CC15B") nach zwei Stunden und unmittel­ bar folgendes Aufbringen eines kommerziell erhältlichen, aus Eisen hergestellten monoaxialen Widerstandsdraht-Dehnungsmeß­ streifens angebracht. Die darunterliegende Unterschicht hatte eine Dicke von etwa 100 µm.

Dieses Modell wurde von zwei Halteelementen 16 an den Stellen der Räder gehalten, wie es in der Fig. 6 gezeigt ist, und es wurde eine Last von 20 N jeweils an den Stellen der Federauflage 15 angebracht. Um die Reibung zwischen dem Modell 14 und den Halteelementen 16 zu verringern, wurden schmale Bänder 17 an den entsprechenden Stellen auf das Modell 14 aufgebracht.

Danach wurde die entsprechende Messung der Spannungs­ verteilung an einem Original der Hinterachse aus Gußeisen durchgeführt. Die Fig. 7 zeigt die Ergebnisse der Messungen der Spannungsverteilung am Modell 14 und der Originalachse. In der Fig. 7 bezeichnet "C" die Mitte des Modells (der Achse) und "S" bezeichnet die Stelle der Federauflage. Die Graphik (a) zeigt die Spannungsverteilung, die längs der Linie "a" in der Fig. 6 erhalten wurde, und die Graphik (b) die Spannungs­ verteilung längs der Linie "b". Es ist anzumerken, daß die am Polyurethanschaummodell 14 erhaltene Spannung durch Multipli­ kation auf den gleichen Pegel wie die Spannung an der Origi­ nalachse angehoben wurde. Wie aus der Fig. 7 hervorgeht, zeigen die beiden Spannungsverteilungen (a) und (b) sowohl für das Polyurethanschaummodell 14 als auch die Originalachse einen weitgehend identischen Verlauf.

Beispiel 2

Die Fig. 9 zeigt einen Teil 18 einer Fahrzeug-Vorderachse, von dem ein Polyurethanschaummodell in verkleinertem Maßstab 1 : 2 durch Ausschneiden aus einem Polyurethanschaumblock herge­ stellt wurde. Der verwendete Polyurethanschaumblock hatte eine Dichte von 0,06 g/cm³ und einen Elastizitätsmodul von 10 N/mm². Dieser Teil 18 einer Fahrzeug-Vorderachse zeigt einen U-förmigen Abschnitt zwischen zwei Öffnungen 21 und einen im wesentlichen geraden Armabschnitt 19. Obwohl der Armabschnitt 19 im Original eine Befestigungsfläche 26 aufweist, ist das Polyurethanschaummodell zur Messung der Spannungsverteilung nicht mit einer solchen Befestigungsfläche 26 versehen.

Die Fig. 8 zeigt schematisch die Messung der Spannungs­ verteilung anhand eines Polyurethanschaummodells 18′ des Teils 18. Das Modell 18′ war an zwei Haltevorrichtungen 20 aus Eisenplatten mit zwei Stiften 22, die durch die Öffnungen 21 des Modells 18′ verliefen, befestigt. Das Ende des Armab­ schnitts war derart in einer Kugel-Lagerung 24 befestigt, daß es durch eine Eisenkugel in der Lagerung 24 einer Druckbela­ stung unterworfen werden konnte. Zur Verringerung der Reibung befanden sich zwischen den Eisenplatten der Haltevorrichtung 20 und der Unterlage eine Anzahl Rollen 23.

Das Modell 18′ war mit einer Anzahl von Widerstandsdraht- Dehnungsmeßstreifen 25 versehen, die in im wesentlichen gleichem Abstand angeordnet waren, wie es in der Fig. 8 gezeigt ist. Die Dehnungsmeßstreifen und die Art der Anbringung entsprechen bzw. entsprachen dem Beispiel 1. So hatten die darunterliegenden Schichten eine Dicke von etwa 100 µm.

Wie in der Fig. 8 gezeigt, wirkte eine Last F ₅ von 3 N auf den unteren Abschnitt des Halteelementes 20 in axialer Richtung des Modells 18′ ein.

Die gleiche Messung der Spannungsverteilung wurde am Ori­ ginalteil 18 ausgeführt. Die Fig. 9 zeigt die Ergebnisse der Messung am Modell 18′ und am Originalteil 18.

Wie erwähnt, wies das Modell 18′ im Gegensatz zum Ori­ ginalteil 18 keine Befestigungsfläche 26 auf. Entsprechend weisen die Meßergebnisse in diesem Abschnitt einen geringen Unterschied auf. In den anderen Abschnitten sind jedoch die Meßergebnisse weitgehend identisch. In der Fig. 9 werden durch ○ und ∆ die Spannungsverteilungen an der Oberseite des Modells 18′ bzw. des Teils 18 und durch ⚫ und ▲ die Span­ nungsverteilung an der Unterseite des Modells 18′ bzw. des Teils 18 angegeben.

Beispiel 3

Die Fig. 10 zeigt ein Verbindungsmetallelement aus einer zylindrischen Stahlklammer und einem darin eingesetzten Alu­ miniumrohr, von dem zur Messung der Spannungsverteilung ein Polyurethanschaummodell hergestellt wurde. Da Stahl einen Elastizitätsmodul von 210 000 N/mm² und Aluminium einen sol­ chen von 70 000 N/mm² hat, ist das Verhältnis der Elastizi­ tätsmodule gleich 3 : 1.

Entsprechend wurde der äußere rohrförmige Abschnitt 28 des Modells einstückig aus einem Polyurethanschaumblock mit einem Elastizitätsmodul von 15 N/mm² durch Herausschneiden und der innere rohrförmige Abschnitt 30 einstückig durch Aus­ schneiden aus einem Polyurethanschaumblock mit einem Elastizi­ tätsmodul von 5 N/mm² hergestellt.

Die Dehnungsmeßstreifen wurden auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 an der Außenfläche des äußeren Abschnitts 28 und an der Innenfläche des inneren Abschnitts 30 an vorgegebenen Stellen angebracht.

Es wurde eine Last bis zu einem ¹/_{14 000} der tatsächlichen Belastung an dem äußeren zylindrischen Abschnitt 28 in der Richtung aufgebracht, die in der Fig. 10 durch einen Pfeil an­ gezeigt ist, um die Messung der Spannungsverteilung durchzu­ führen.

Die gleiche Messung der Spannungsverteilung wurde am Original-Verbundmetallelement mit dem in der Fig. 10 gezeigten Aufbau ausgeführt. Es hat sich herausgestellt, daß die durch das Polyurethanschaummodell erhaltenen Daten weitgehend mit denen für das Originalelement identisch waren.

In den Beispielen 1 und 2 wurden Modelle mit der halben Größe der Originalteile verwendet. Der Maßstab zwischen Modell und Original kann jedoch beliebig festgelegt werden. Wenn das gegossene oder geschmiedete Originalerzeugnis relativ klein ist, kann die Verkleinerung optimal gemacht werden, um eine genaue Messung zu erhalten.

Wie beschrieben sind die Polyurethanschaummodelle zum Messen von Spannungsverteilungen extrem leicht und einfach handzuhaben und gut zu bearbeiten, und die Messungen der Span­ nungsverteilungen an diesen Modellen können die tatsächlche Spannungsverteilung in den Originalen mit großer Genauigkeit vorhersagen. Die Entwicklung der gegossenen oder geschmiedeten Originalteile kann daher in einer erheblich verkürzten Zeit mit stark verringerten Kosten durchgeführt werden.

Die Messungen der Spannungsverteilung können an den Poly­ urethanschaummodellen unter den gleichen Befestigungs- und Einspannungsbedingungen wie am Originalteil erfolgen, wodurch die Meßfehler sehr klein werden.

Claims (7)

1. Modell zum Messen von Spannungsverteilungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell (1, 5, 14, 18′) aus einem leichten Polyurethanschaumstück mit geringen Ungleich­ mäßigkeiten in der Dichte besteht, wobei das Polyurethan­ schaumstück an vorbestimmten Stellen mit einer Unterschicht versehen ist, an denen jeweils ein Widerstandsdraht-Deh­ nungsmeßstreifen (25) mittels eines Klebers befestigt ist, und wobei die Unterschichten eine Dicke von 50-300 µm haben und aus einem Material sind, das mit dem Polyurethanschaum nicht reagiert, kaum darin eindringt und weicher ist als dieser.

2. Modell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Polyurethanschaum einen Elastizitätsmodul von 5 bis 15 N/mm² aufweist, wobei die Ungleichmäßigkeit des scheinbaren Elastizitätsmoduls an den verschiedenen Stellen, an denen die Dehnungsmeßstreifen ange­ bracht sind, innerhalb ±10% liegt und wobei die durch die Dehnungsmeßstreifen erfaßten Verformungen gleich 4% oder mehr der tatsächlich an dem Modell auftretenden Verformungen sind.

3. Modell nach Anspruch 1 zum Messen von Spannungsverformun­ gen an einem Verbundmetallelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell aus einer Anzahl von Polyurethanschaumabschnitten (28, 30) mit verschiedenen Spannungsverteilungen gebildet wird, wobei das Verhältnis der Elastizitätsmodule zwischen diesen Polyurethanschaumab­ schnitten gleichen dem Verhältnis zwischen den Elastizitäts­ modulen der entsprechenden Teile des Verbundmetallelementes ist.

4. Verfahren zum Messen von Spannungsverteilungen unter Verwendung eines Polyurethanschaummodells, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethanschaummodell (1, 5, 14, 18′) durch ein oder mehrere Halteelemente (2, 6, 7, 16, 20) an den Stellen gehalten wird, die den Befestigungsstellen des Originalteils entsprechen und daß an das Polyurethan­ schaummodell eine Last an einer Stelle angelegt wird, die der Stelle der tatsächlichen Belastung am Originalteil entspricht, so daß die Spannungsverteilung in dem Polyurethanschaummodell unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen wie am Origi­ nalteil gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stellen, an denen das Polyurethanschaummodell mit den Halteelementen in Kontakt steht, das Polyurethanschaummodell und/oder die Halteelemente mit einer Folie oder einer Beschichtung (3, 17) zur Verrin­ gerung der Reibung zwischen dem Modell und den Halteelementen versehen ist/sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ende des Modells durch einen Faden (9, 10, 11) gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Halteele­ mente eine scharfe Spitze aufweist, auf der das Modell ange­ ordnet wird, und/oder daß wenigstens eines der Halteelemente eine Haltevorrichtung (6, 7, 20) ist, an der das Polyurethan­ schaummodell drehbar angebracht ist.