Kraftmesssystem für eine mehrachsige, servohydraulische Prüfeinrichtung

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Anpassung der Funktionalität einer vorhandenen, servohydraulischen Mehrachsprüfeinrichtung für Elastomer-Metall-Verbundbauteile an die steigenden Anforderungen für innovative Bauteilentwicklungen im System Bahn.<br />Elastomer-Metall-Verbundbauteile lassen sich vorteilhaft als Federungs- und Dämpfungselemente in Drehgestellen von Schienenfahrzeugen einsetzen.<br />Aufgrund des komplexen Eigenschaftsprofils der Elastomere lässt sich die Entwicklung dieser Komponenten nach derzeitigem Stand der Technik nicht allein durch Berechnungen und Bauteilerprobungen im Feld (Betriebsversuche) absichern. Es sind zusätzlich Betriebsfestigkeitsversuche erforderlich, die für Schienenfahrzeugkomponenten auf leistungsfähigen, servohydraulischen Mehrachsprüfeinrichtung durchgeführt werden.<br />Ein wichtiges Kriterium bei der Lebensdauerprüfung ist die Generierung von Prüfsignalen, die zeitkomprimierte Belastungssimulationen mit zuverlässigen Rückschlüssen auf die Bauteillebensdauer ermöglichen.<br />Voraussetzung für eine richtige Bewertung der Versuchsergebnisse, dass diese Prüfsignale (Belastungen) tatsächlich in der gewünschten Größe, Richtung und Dauer auf das Bauteil einwirken.<br />Die steigenden Anforderungen an Elastomer-Metall-Verbundbauteile für moderne Schienenfahrzeuge müssen auch bei der Betriebsfestigkeitsuntersuchung berücksichtigt werden. Dies führt gemeinsam mit einem wachsenden wirtschaftlichen Druck in letzter Konsequenz zu höheren geforderten Kraftänderungsgeschwindigkeiten und damit zu höheren Frequenzanteilen im nachzufahrenden Prüfsignal. Dabei stoßen die verfügbaren mehrachsigen Prüfeinrichtungen in den Bereichen Servohydraulik, Regelungstechnik und Messtechnik sowie bei der mechanischen Belastbarkeit an ihre Grenzen. Bei Erreichen der Leistungsgrenzen kann das Prüfsignal nicht mehr innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen nachgefahren werden, wodurch der Betriebsfestigkeitsversuch undurchführbar wird, oder sogar fehlerhafte Aussagen betreffend der Zuverlässigkeit resultieren.<br />Durch die Entwicklung einer speziellen, sehr nahe am Prüfobjekt positionierten Kraftmesseinrichtung konnten die beim ursprünglichen Messsystem vorhandenen systematischen Fehler zufolge der Koppelstangenschrägstellung und der elastischen Verformung der Plattform weitestgehend eliminiert werden. Das durch die Koppelstangen verursachte mechanische Übersprechen bei der Krafteinbringung wird vom neuen Messsystem erfasst und daher automatisch in der Regelung berücksichtigt. Zusätzlich garantiert der konstante Amplitudenfrequenzgang der neuen, signalprozessorunterstützten Messelektronik auch bei höherfrequenten Signalanteilen ein korrektes Messergebnis, wodurch ein genaues Nachfahren vorgegebener Prüfsignale von ursprünglich 0.5 Hz bis etwa 20 Hz nun über den erweiterten Arbeitsfrequenzbereich von 0.5 Hz bis 50 Hz ermöglicht wird.<br />Unter Berücksichtigung vorgegebener oder maximal erlaubter Bauteiltemperaturen können durch diesen erweiterten Arbeitsfrequenzbereich künftig ökonomische und auf tatsächlichen Belastungen beruhende Aussagen über die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der geprüften Komponenten getroffen werden.

The goal of this thesis was the adaption of an existing multi-axial servohydraulic testing facility for rubber-metal assemblies to the demands of innovative component design for railway vehicles.<br />Rubber-metal assemblies can be advantageously employed as spring and damping element in railway vehicle bogies. Due to the present state-of-the-art the result of the complex characteristics of elastomers is, that the development of such components can not be assured only by calculations and field tests. Hence, life endurance tests are necessary.<br />For railway vehicle components they are accomplished by means of powerful multi-axial servohydraulic testing facilities.<br />A substantial criterion within the life endurance testing is the generation of test signals. They are used for time compressed force load simulations which should allow reliable conclusions for the component's life endurance. An additional important criterion is that these test signals (force loads) effectively act upon the component in the designated way (amplitude, direction and duration).<br />For the life endurance test the increasing demands on rubber-metal components for modern railway vehicles must be taken into account. In the end, together with ascending economic pressure this leads to the demand of higher force slew rates and for this reason to a higher frequency content in the test signals. Existing multi-axial testing facilities reach their limits in the areas of servohydraulics, measurement and control systems as well as in their mechanical capacity. Once, this limits are reached the test signal can not be retraced by the testing facility within certain boundaries.<br />Hence, life endurance tests become inexecutable or lead to erroneous predictions for the reliability of the component under test.<br />The systematic errors of the former force measurement system have been eliminated by the development of a specific measurement device, positioned in the vicinity of the test object. The mechanical crosstalk in the force contribution is detected by the new system and hence automatically accounted in the force feedback control. In addition to that, the constant amplitude frequency response of the developed signal processor based force measurement system ensures a correct measurement result up to higher frequencies.<br />Thus the test rig could exactly follow a given test signal over the expanded working frequency range up to 50 Hz. A further extension is not limited by the developed force measurement system, but rather by capabilities of currently available testing facilities.<br />By means of this expanded frequency range and under consideration of given or maximum allowable component temperatures it will be possible to make economical and realistic conclusions on the durability and reliability of the investigated rubber-metal components.