WO1995002810A1 - Prüfmaschine für umlaufbiegung langer rundstäbe - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a testing machine for testing long round bars for their rotational bending strength according to the preamble of claim 1.
- the subject of the test are round rods, such as those used for the manufacture of coil springs and stabilizers in vehicle construction, e.g. for cars, buses, trucks and rail vehicles, but also in stationary applications.
- the aim of the test is to determine the vibration resistance experimentally with the aim of being able to identify and sort out round rods which do not have sufficient vibration resistance before further processing which generates costs.
- the current state of the art in rotary bending tests is characterized by test benches that require a short test bar set out in the test area.
- the round rod to be examined is changed in an impermissible manner by the necessary processing, since material has to be removed and the surface subsequently has a changed structure.
- the short test length of approx. 50 to 100 mm is not representative of the entire length of the round bar.
- processing is time and cost intensive. Therefore, the commercial rotary bending test stands are not very suitable for the present purpose.
- test benches of this type are already in operation at wire and spring manufacturers.
- the test stand has four bearings 1 - 4, of which the one closest to the drive 7 is mounted in a stationary manner, whereas the other three can be moved in the longitudinal direction of the test stand (FIG. 1).
- Each bearing 1 - 4 contains a roller bearing 5, in the inner ring of which a sleeve 8 made of plastic, for example made of Ertalyte (polyethylene terephthalate), is inserted.
- the sleeves 8 of the two middle bearings 2 and 3 are spherical on the drainage surface (FIG. 2) in order to be able to adapt to the bending line of the round rod 6.
- the inner diameter of the sleeve 8 is significantly larger than the diameter of the round rod 6 to be checked, so that it is pushed in a simple manner before the start of the test through the four (initially still in position) bearings 1-4 and over the Ein ⁇ clamping coupling 12 can be connected to the drive 7. Then the desired bending stress or extension is applied to the
- Round rod 6 applied by applying defined loading forces or deformations by means of the lifting devices 9 via the two inner bearings 2 and 3. So that the bearings 1 - 4 can follow the bending line generated in this way without tilting, they are designed to be pivotable about the axis 10. It is essential for the invention that the round rod 6 to be tested is not clamped in the four force introduction points 1 to 4, but rather rolls on the inner ring of the bearing 5 lined with a plastic ring 8 as soon as the drive motor 7 rotates the round rod brings ( Figure 2).
- tension a certain moment
- elongation a certain deformation
- this solution has the disadvantage that the weight and the tensioned round rod form an oscillatory spring-mass system, which is excited to vibrate during the rotation of the round rod by its always present curvatures, which leads to uncontrollable additional stresses on the round rod . Therefore, as shown in FIG. 1, preference is given to tensioning the round rod in accordance with a specific deformation. Uncontrolled vibrating additional stresses can thus be excluded. It is also advantageous that the bearing forces are introduced on the current pressure side of the rotating test specimen.
- the tensile side which is critical for fatigue, is free from bearing-related influences under circumferential bending stress.
- the inclination of the bearings causes a force component in the longitudinal direction of the bending line, which acts as a buckling load, the amount of which, however, can be kept negligibly small if the bearing distances are selected accordingly.
- the guide of the round rod 6 in sleeves made of high-strength plastic has compared to guides made of e.g. Steel or other metals the advantage that practically no abrasive wear or stress corrosion occur.
- test benches with four bearings i.e. with four force introduction points
- a circular bending line can be reached between the bearings 2 and 3 if the distances between the force application are symmetrical.
- test benches with only three force introduction points are just as much part of the scope of the invention as those with more than four.
- the force F can also be determined at one of the four measurement points via a load cell 11. Because of the symmetrical arrangement of the four force introduction points, all four forces are of the same magnitude and the bending stress ⁇ j - can be calculated from: "_ F 'L ⁇ " " ⁇ f 3 - ⁇ / 32
- the drive motor 7 is pivotally arranged in order to achieve a daily adaptation of the motor axis to the ends of the curved round rod 6.
- the remaining misalignments between the axis of the drive motor 7 and the ends of the round rod 6 are absorbed by a flexible but torsionally rigid shaft 13.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Prüfmaschine zum Prüfen der Umlaufbiegefestigkeit von langen Rundstäben vor ihrer Weiterverarbeitung zu Schraubenfedern und Stabilisatoren für Fahrzeuge wie z.B. Pkw, Busse, Lkw und Schienenfahrzeuge. Die Prüfmaschine weist vier Lager (1-4) auf, die in der x-Richtung der Prüfmaschine fluchtend angeordnet sind. Die zwischen den beiden äußeren Lagern (1, 4) liegenden Lager (2, 3) besitzen je eine einstellbare, in y-Richtung wirkende Hubvorrichtung (9) zur Erzeugung definierter Biegeverformungen bzw. Biegemomente im Rundstab (6). In jedem Lager (1-4) ist ein Kunststoffring (8), dessen Innendurchmesser größer ist als der Durchmesser des Rundstabes (6), in den Innenring eines Wälzlagers (5) eingesetzt. Ziel ist die experimentelle Ermittlung der Schwingfestigkeit, damit Rundstäbe, die keine ausreichende Schwingfestigkeit besitzen, vor der kostenerzeugenden Weiterverarbeitung ausgesondert werden können. Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Prüfstand ist, daß Rundstäbe von ca. 12-25 mm Durchmesser ohne eine Vielzahl durchmesserspezifischer Einspannbacken geprüft werden können. Für alle Durchmesser wird ein einziger Satz von Kunststoffringen verwandt.
Description
Prüfmaschine für Umlaufbiegung langer Rundstäbe
Die Erfindung betrifft eine Prüfmaschine zum Prüfen langer Rundstäbe auf ihre Umlaufbiegefestigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gegenstand der Prüfung sind Rundstäbe, wie sie für die Her¬ stellung von Schraubenfedern und Stabilisatoren im Fahrzeug¬ bau, z.B. für Pkw, Busse, Lkw und Schienenfahrzeuge, aber auch in stationären Anwendungen, eingesetzt werden. Ziel der Prüfung ist die experimentelle Ermittlung der Schwingfestig¬ keit mit dem Ziel, solche Rundstäbe, die keine ausreichende Schwingfestigkeit besitzen, schon vor der kostenerzeugenden Weiterverarbeitung erkennen und aussondern zu können.
Bei der Fertigung von Pkw- und Lkw-Schraubenfedern und -Sta¬ bilisatoren wird in der Regel von Rundstäben einer Länge von L = 1000 bis 4000 mm und einem Durchmesser von D = 12 bis 25 mm ausgegangen. Diese Rundstäbe werden in einem weitgehend automatisierten Fertigungsablauf zum Endprodukt verarbeitet. Durch Schwingversuche wird stichprobenartig am fertigen Pro¬ dukt die geforderte Schwingfestigkeit überprüft. Falls diese nicht ausreicht, kann das entweder an einem mangelhaften Fer¬ tigungsprozeß liegen, oder an einer nicht ausreichenden Qua- lität der dazu verwendeten Rundstäbe, oder auch an beidem.
Obwohl Schraubenfedern und Stabilisatoren hauptsächlich auf Torsion beansprucht werden, haben sich in der Praxis die schnell und unaufwendig durchzuführenden Umlaufbiegeversuche als hinreichend aussagefähig erwiesen.
Der derzeitige Stand der Technik bei Umlaufbiegeversuchen ist durch Prüfstände gekennzeichnet, die einen kurzen und im Prüfbereich abgesetzten Probestab erfordern. Durch die dafür notwendige Bearbeitung wird der zu untersuchende Rundstab je- doch in unzulässiger Weise verändert, da Material abgetragen werden muß und die Oberfläche anschließend eine geänderte Struktur besitzt. Außerdem ist die geringe Prüflänge mit ca. 50 bis 100 mm nicht repräsentativ für die gesamte Länge des Rundstabes. Zusätzlich ist die Bearbeitung zeit- und kosten- intensiv. Daher sind die handelsüblichen Umlaufbiegeprüfstände für den vorliegenden Zweck wenig geeignet.
Um auch unbearbeitete Rundstäbe einspannen zu können, ist es wichtig, eine Schädigung der Rundstäbe durch die Einspaπnung selbst zu vermeiden. Letzteres gelingt durch die Verwendung von Kunststoff-Spannbacken. Prüfstände dieser Art sind schon gelegentlich bei den Draht- und Federnherstellern in Betrieb.
Da die Prüfkräfte bei Umlaufbiegeprüfständen in der Regel an vier Punkten des Rundstabes eingeleitet werden (Vierpunktbie¬ gung) , muß der Rundstab bei dieser Art Prüfstände an vier Stellen über die Kuntstoffeinspannbacken befestigt werden. Die¬ ser Vorgang ist zeitraubend. Außerdem werden für jeden Draht¬ durchmesser entsprechend dimensionierte Einspannbacken benö- tigt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vor¬ liegenden Erfindung, einen Prüfstand weiterzubilden, bei dem das zeitaufwendige Einspannen der Rundstäbe in die Kunststoff¬ backen entfällt, bei dem nicht für jeden Rundstabdurchmesser jeweils ein Satz entsprechend dimensionierter Kunststoffein¬ spannbacken vorgehalten werden muß und der einfach zu handha¬ ben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:
Der Prüfstand besitzt vier Lager 1 - 4, von denen das dem An¬ trieb 7 nächstgelegene ortsfest montiert ist, wogegen die üb¬ rigen drei in Längsrichtung des Prüfstandes verschiebbar sind (Figur 1) . Jedes Lager 1 - 4 enthält ein Wälzlager 5, in des- sen Innenring eine Hülse 8 aus Kunststoff, beispielsweise aus Ertalyte (Polyaethylenterephtalath) , eingesetzt ist. Die Hül¬ sen 8 der beiden mittleren Lager 2 und 3 sind auf der Abiauf¬ fläche ballig ausgeführt (Figur 2) , um sich der Biegelinie des Rundstabes 6 angleichen zu können. Der Innendurchmesser der Hülse 8 ist deutlich größer als der Durchmesser des zu prüfen¬ den Rundstabes 6, so daß dieser in einfacher Weise vor Ver¬ suchsbeginn durch die vier (zunächst noch in fluchtender Po¬ sition stehenden) Lager 1 - 4 geschoben und über die Ein¬ spannkupplung 12 mit dem Antrieb 7 verbunden werden kann. So- dann wird die gewünschte Biegespannung bzw. -dehnung auf den
Rundstab 6 aufgebracht, indem definierte Belastungskräfte bzw. Verformungen mittels der Hubvorrichtungen 9 über die beiden inneren Lager 2 und 3 aufgebracht werden. Damit die Lager 1 - 4 ohne Verkantung der so erzeugten Biegelinie folgen können, sind sie schwenkbar um die Achse 10 ausgeführt.
Für die Erfindung wesentlich ist, daß der zu prüfende Rund¬ stab 6 in den vier Krafteinleitungspunkten 1 bis 4 nicht ein¬ gespannt wird, sondern sich auf dem mit einem Kunststoffring 8 ausgekleideten Innenring des Lagers 5 abwälzt, sobald der Antriebsmotor 7 den Rundstab in Rotation bringt (Figur 2) .
Durch entsprechende Dimensionierung des Innendurchmessers des Kunststoffrings 8 und Wahl der Lagerabstände L]_, .1 und L2 wird erreicht, daß sämtliche Durchmesser von Rundstäben im Bereich von D = 12 mm bis 25 mm bei gleicher Flächenpressung zwischen Rundstab 6 und Kunststoffring 8 ohne zusätzliche Einspannmittel geprüft werden können. Dadurch entfällt der zeitraubende Vorgang des Ein- und Ausspannens. Die angegebenen Durchmesser sind die Hauptanwendungsbereiche in der Praxis. Der erfindungsgemäße Prüfstand ist bei entsprechender Ausle- gung auch für kleinere und für größere Durchmesser einsetzbar.
Die beiden mittleren Krafteinleitungspunkte 2 und 3 können in vertikaler Richtung entweder gemäß eines bestimmten Moments (= Spannung) oder entsprechend einer bestimmten Verformung (= Dehnung) eingestellt werden. Für die Einleitung eines be¬ stimmten Moments arbeitet man gelegentlich mit Gewichtsbela¬ stung eventuell über Hebel. Diese Lösung besitzt jedoch den Nachteil, daß das Gewicht und der verspannte Rundstab ein schwingungsfähiges Feder-Masse-System bilden, das bei der Ro- tation des Rundstabes durch seine stets vorhandenen Krümmun¬ gen zu Schwingungen angeregt wird, was zu unkontrollierbaren Zusatzbeanspruchungen des Rundstabes führt. Deshalb ist, wie in Fig. 1 dargestellt, einer Verspannung des Rundstabes gemäß einer bestimmten Verformung der Vorzug zu geben. Unkontrol- lierte schwingende Zusatzbeanspruchungen können damit ausge¬ schlossen werden.
Vorteilhaft ist außerdem, daß die Lagerkräfte auf der jeweils momentanen Druckseite des rotierenden Prüflings eingeleitet werden. Dadurch ist die ermüdungskritische Zugseite unter Um¬ laufbiegebeanspruchung frei von lagerbedingten Einflüssen. Die Schrägstellung der Lager bewirkt allerdings eine Kraft¬ komponente in Längsrichtung der Biegelinie, die als Knicklast wirkt, deren Betrag jedoch bei entsprechender Wahl der Lager¬ abstände vernachlässigbar klein gehalten werden kann.
Die Führung des Rundstabes 6 in Hülsen aus hochfestem Kunst¬ stoff hat gegenüber Führungen aus z.B. Stahl oder anderen Me¬ tallen den Vorzug, daß praktisch kein abrasiver Verschleiß oder Spannungskorrosionen auftreten.
Es ist vorteilhaft, den Prüfstand mit vier Lagern, d.h. mit vier Krafteinleitungspunkten, auszurüsten, weil sich so zwi¬ schen den Lagern 2 und 3 eine kreisförmige Biegelinie errei¬ chen läßt, wenn die Abstände der Krafteinleitung symmetrisch sind. Prüfstände mit nur drei Krafteinleitungspunkten gehören jedoch ebenso zum Erfindungsumfang wie solche mit mehr als vier.
Vor Beginn der Prüfung muß die Dehnung bzw. Spannung, unter der der Rundstab 6 geprüft werden soll, reproduzierbar einge- stellt werden.
Bei der Einstellung der Dehnung kann man von der Tatsache Ge¬ brauch machen, daß bei symmetrischer Krafteinleitung (→-→γ→=-→2 ) das Biegemoment zwischen den beiden mittleren Krafteinleitungs- punkten konstant und somit die Biegelinie ein Kreisbogen ist. Mit Hilfe einer Dreipunktmessung gemäß der in Figur 3 darge¬ stellten Meßvorrichtung kann deshalb die Dehnung über fol-
gende Gleichung unmittelbar rechnerisch ermittelt und somit eingestellt werden: ε = - d - h
2 - l 2 + 8 h2 - 8 - d - h
Die Biegespannung €> ^ folgt daraus durch Multiplikation mit dem E-Modul, der bei Federstählen bei ca. E = 2,0 105 N/mm2 liegt.
Um die Spannung unmittelbar meßtechnisch ermitteln zu können, kann man auch an einem der vier Meßunkte die Kraft F über eine Kraftmeßdose 11 ermitteln. Wegen der symmetrischen Anordnung der vier Krafteinleitungspunkte sind sämtliche vier Kräfte gleich groß und die Biegespannung < j-, läßt sich rechnerisch ermitteln aus: „ _ F ' L σ" " <f3-π/32
Der Antriebsmotor 7 ist schwenkbar angeordnet, um eine tagen- tiale Anpassung der Motorachse an die Enden des gebogenen Rund- Stabes 6 zu erreichen. Die verbleibenden Fluchtungsfehler zwi¬ schen der Achse des Antriebsmotors 7 und den Enden des Rund¬ stabes 6 werden durch eine biegsame, jedoch torsionssteife Wel¬ le 13 aufgenommen.
Claims
1. Vorrichtung zum dynamischen Prüfen langer Rundstäbe auf ihre Umlaufbiegefestigkeit mit ortsfest positionierbaren Lagern zum Führen der Rundstäbe sowie Antriebsmitteln (7) zur Erzeugung der Drehbewegung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
- Die Prüfmaschine weist vier Lager (1-4) auf, die in der x-Richtung der Prüfmaschine fluchtend angeordnet sind,
(Figur 1) .
- Die zwischen den beiden äußeren Lagern (1, 4), liegenden Lager (2, 3) besitzen je eine einstellbare, in y-Rich- tung wirkende Hubvorrichtung (9) zur Erzeugung definier¬ ter Biegeverformungen bzw. Biegemomente im Rundstab (6) .
- In jedem Lager (1-4) ist ein Kunststoffring (8) , dessen Innendurchmesser größer ist als der Durchmesser des Rund- Stabes (6) , in den Innenring des Wälzlagers (5) eingesetzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alle Lager (2-4) bis auf das ortsfeste Lager (1) in der x-Richtung der Prüfmaschine einstellbar ausgeführt sind.
3 . Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alle Lager (1-4) um die Achse (10) schwenkbar ausge¬ führt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß an mindestens einem der Lager (1-4) eine Kraftme߬ dose (11) vorhanden ist.
5. Verfahren zum dynamischen Prüfen langer Rundstabe auf ihre Umlaufbiegefestigkeit,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- der Rundstab wird in mindestens vier miteinander fluchtenden Lagern gelagert; - die zwischen den äußeren Lagern liegenden Lager werden zur Erzeugung einer Biegeverformung senk¬ recht zur Fluchtrichtung verschoben, wobei diese Lager den Rundstab mit Spiel lagern;
- der Rundstab wird gedreht und die Kräfte im wesentlichen senkrecht zur Biegelinie bzw. zur
Fluchtrichtung werden gemessen.
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