DE3938648C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Span
nungsverteilungen an einem
Polyurethanschaum-Modell, z. B. eines gegossenen oder
geschmiedeten Erzeugnisses, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
und ein Verfahren zum Messen der
Spannungsverteilungen in einem gegossenen oder geschmiedeten
Erzeugnis unter Verwendung eines solchen Modells.
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 Verstärkung 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 Entwicklungsschritt 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
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
urethanschaum-Modells 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 (vgl. Oberbegriff des Anspruchs 1).
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 Polyurethanschaum-Modelle große
Meßfehler erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung
und ein Verfahren zum Messen von Spannungsver
teilungen an einem Polyurethanschaum-Modell mit kleinen Meßfehlern
unter Verwendung eines solchen Modells zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch
1 bzw. 4 gekennzeichnet.
Die danach ausgebildete Unterschicht an den
einzelnen Anbringungsstellen von Dehnungsmeßstreifen bewirkt, daß das
Polyurethanschaum-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.
Wird ferner das Polyurethanschaum-Modell gemäß Anspruch 5 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.
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 Polyurethanschaum-Modellen;
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 Polyurethanschaum-Modell 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
schaum-Modells 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 Polyurethanschaum-Modell 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 300 µm, wird die Verformung des
Polyurethanschaum-Modells 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 Polyurethanschaum-Modell nachgebildet werden.
Im folgenden wird das Verfahren zum Messen der Span
nungsverteilungen genauer erläutert.
Für die Messung der Spannungsverteilung wird das Poly
urethanschaum-Modell 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 daß 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
F1 einwirkt, so deformiert, wie es durch die gestrichelten
Linien 1′ dargestellt ist. Dabei entstehen Reibungskräfte f1
und f2 an den Stellen, an denen das Modell 1 mit den
Halteelementen 2 in Kontakt steht. Diese Reibungskräfte f1
und f2 führen zu einem Meßergebnis, das einer kleineren Last
als der tatsächlichen einwirkenden Last F1 entspricht.
Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, werden diejenigen
Stellen des Polyurethanschaum-Modells, 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 Polyurethanschaum-Modells
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 Polyurethanschaum-Modell 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
Polyurethanschaum-Modells 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 F2 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 F2. 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 F3 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
einem Faden 11 gehalten wird. Der Faden 11 ist über eine Rolle
13 mit einem Gewicht 12 verbunden. Wenn auf das Modell 1 eine
Last F4 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
Polyurethanschaum-Modell und das Verfahren zum Messen der
Spannungsverteilung angegeben.
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 und
Stehenlassen für 5 Minuten, erneutes Aufbringen des gleichen
darunterliegenden Mittels und des Aufbringens eines Klebstoffs
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
Polyurethanschaum-Modell 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 Polyurethanschaum-Modell 14 als auch die Originalachse
einen weitgehend identischen Verlauf.
Die Fig. 9 zeigt einen Teil 18 einer Fahrzeug-Vorderachse,
von dem ein Polyurethanschaum-Modell 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
Polyurethanschaum-Modell zur Messung der Spannungsverteilung
nicht mit einer solchen Befestigungsfläche 26 versehen.
Die Fig. 8 zeigt schematisch die Messung der Spannungs
verteilung anhand eines Polyurethanschaum-Modells 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 F5 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.
Die Fig. 10 zeigt ein Verbindungsmetallelement aus einer
zylindrischen Stahlklammer und einem darin eingesetzten Alu
miniumrohr, von dem zur Messung der Spannungsverteilung ein
Polyurethanschaum-Modell 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 Polyurethanschaum-Modell 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 Polyurethanschaum-Modelle zum
Messen von Spannungsverteilungen extrem leicht und einfach
handzuhaben und gut zu bearbeiten, und die Messungen der Span
nungsverteilungen an diesen Modellen können die tatsächliche
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
urethanschaum-Modellen unter den gleichen Befestigungs- und
Einspannungsbedingungen wie am Originalteil erfolgen, wodurch
die Meßfehler sehr klein werden.
Claims (7)
1. Anordnung zum Messen von Spannungsverteilungen an
einem leichten Polyurethanschaum-Modell mit geringen Ungleich
mäßigkeiten in der Dichte, das
an mindestens einer Stelle mit einer Unterschicht
versehen ist, an der ein Widerstandsdraht-Deh
nungsmeßstreifen (25) mittels eines Klebers befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht eine Dicke von 50-300 µm hat und
aus einem Material besteht, das mit dem Polyurethanschaum nicht
reagiert, kaum darin eindringt und weicher ist als dieser.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Polyurethanschaum
einen Elastizitätsmodul von 5 bis 15 N/mm2 aufweist, wobei die
Ungleichmäßigkeit des scheinbaren Elastizitätsmoduls an den
Stellen, an denen ein Dehnungsmeßstreifen ange
bracht ist, innerhalb ±10% liegt, und wobei die durch einen
Dehnungsmeßstreifen erfaßte Verformung 4% oder mehr
der tatsächlich an dem Modell auftretenden Verformung beträgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 zum Messen von Spannungsverteilun
gen an einem Modell eines Verbundmetallelements,
dadurch gekennzeichnet, daß das Modell aus einer Anzahl von
Polyurethanschaum-Abschnitten (28, 30) mit verschiedenen
Spannungsverteilungen gebildet wird, wobei das Verhältnis der
Elastizitätsmodule zwischen diesen Ab
schnitten gleichen dem Verhältnis zwischen den Elastizitäts
modulen der entsprechenden Teile des Verbundmetallelementes
ist.
4. Verfahren zum Messen von Spannungsverteilungen unter
Verwendung eines Polyurethanschaum-Modells nach einem der Anprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Modell (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
Modell eine Last an einer Stelle angelegt wird, die der
Stelle der tatsächlichen Belastung am Originalteil entspricht,
so daß die Spannungsverteilung in dem Modell
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
Modell mit den Halteelementen in Kontakt
steht, das Modell 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
Modell drehbar angebracht ist.
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