Betriebsfestigkeit-Prüfung von Bauteilen – Chinesische Universität nutzt größten Vibrophore der Welt

Vibrophore 1000
Periodische Belastungen von Komponenten führen irgendwann zum Bruch. Um maximale Sicherheit zu gewährleisten sind daher detaillierte Kenntnisse der Betriebsfestigkeit essentiell. Eine sehr effiziente Lösung zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen bei hohen Frequenzen und Kräften sind elektromagnetische Hochfrequenzpulsatoren (Vibrophore). Die Chongqing Universität in Zentralchina setzt zukünftig ein Vibrophore mit 1.000 kN ein.

Die Betriebsfestigkeit eines Bauteils sagt etwas darüber aus, wie viele Lastwechsel zulässig sind, bevor es zu einem Versagen bzw. zum Bruch kommt. Sie ist daher eine zentrale Größe bei der Konstruktion von Kurbelwellen, Pleuel und Steuerketten in Kfz-Motoren, Verbindungselementen in Flugzeugen oder Betonstählen im Kraftwerksbau. Die Bestimmung der Betriebsfestigkeit wird meist durch das Aufbringen periodischer Lasten in Dauerschwingversuchen ermittelt. Die Grenzkurve, die sich daraus ergibt, bezeichnet man als Wöhlerkurve. Sie zeigt den Zusammenhang zwischen Bruchlastspielzahl und Ausschlagspannung und ist benannt nach August Wöhler, der den Versuch nach einem Eisenbahnunglück im Jahre 1875 aufgrund eines Radreifenbruchs entwickelte. Er erkannte, dass ein periodisch belastetes Bauteil eine kürzere Lebensdauer aufweist, als es bei einer rein statischen Kraft der Fall ist. Die Ursache des Radbruchs war kein Materialfehler, sondern eine Materialermüdung – eine fundamentale Erkenntnis für weitere Entwicklungen in der Qualitätssicherung.
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Elektromagnetische Hochfrequenzpulsatoren

Eine besonders wirtschaftliche Lösung zur Bestimmung der gesuchten mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen bei hohen Frequenzen sind elektromagnetische Hochfrequenzpulsatoren. ZwickRoell ist der einzige Hersteller, der einen Hochfrequenzpulsator mit einer Kraft von bis zu 1.000 kN anbietet. Und genau diese Prüfmaschine, sie wiegt über 21 Tonnen, wurde circa 140 Jahre nach den ersten methodischen Versuchen von August Wöhler mit der Bahn zur Chongqing Universität in Zentralchina transportiert – auf geprüften Rädern. Den Transportweg auf Schienen über mehr als 10.000 Kilometer verdankt sie ihrem hohen Gewicht. Denn für den regulären Lufttransport war die Prüfmaschine zu schwer und der Seeweg mit nachfolgendem Landtransport dauerte zu lang.

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Der von ZwickRoell entwickelte Hochfrequenzpulsator bis 1.000 kN gehört zu einer Baureihe mit Prüfkräften von 5 bis 1.000 kN. Bei ausreichend steifen Proben sind Prüffrequenzen von bis zu 285 Hz möglich (150 Hz beim Vibrophore 1000). Das gewährleistet kurze Prüfzeiten und damit einen hohen Probendurchsatz. Die Funktionsweise des Hochfrequenzpulsators basiert auf dem Prinzip eines mechanischen Resonators mit elektromagnetischem Antrieb. Die Mittelkraft wird durch das Verfahren der oberen Traverse über einen Spindelantrieb aufgebracht; die dynamische (sinusförmige) Last durch ein Schwingsystem, das im Resonanzbetrieb arbeitet. Dadurch wird eine große Kraft- und Wegamplitude bei geringer Energiezufuhr erreicht (nur etwa 2% des Energiebedarfs im Vergleich zu servohydraulischen Prüfmaschinen). Beide Antriebe werden separat voneinander geregelt und angesteuert. Dies ist kraft-, weg- und dehnungsgeregelt möglich. Zentrales Merkmal des neuen Vibrophore 1000 ist das Lastrahmenkonzept. Der extrem steife Lastrahmen besteht aus vier Säulen und besitzt dadurch exzellente Führungseigenschaften. Die Änderung der Frequenzen von 35 bis 150 Hz (acht Frequenzstufen) erfolgt über das Aktivieren/Deaktivieren von Gewichten.

An der Chongqing Universität wird der Vibrophore unter anderem für Versuche an Zahnrädern, Getriebeteilen und Befestigungselementen eingesetzt.

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