Messung von Betriebslasten am Beispiel eines Mountain-Bikes

1.Einführung

Durch immer kompliziertere und manchmal fast gegensätzliche Konstruktionsforderungen bei mechanischen Teilen wird es immer interessanter, die tatsächlichen Betriebsbelastungen einer Konstruktion zu ermitteln.

Diese daraus folgenden Betriebsfälle sind für den Ingenieur eine wichtige Voraussetzung für eine gezielte Projektierung und präzise Konstruktion.

Mit den Rechnermodellen und den Betriebslasten seines Projektes kann er eine sehr genaue Vorhersage über das Verhalten seiner Teile in den unterschiedlichsten Belastungsfällen machen. Diese sind gerade im Sinne des neuen Produkthaftungsgesetzes von großem Vorteil.

Die Vorhersage der Dauerhaltbarkeit wird dann zum Beispiel mit Hilfe der statistischen Verteilung und von Bauteilwöhlerlinien, die eine Aussage über die Anzahl der Lastwechsel bei bestimmter Belastung machen, durchgeführt.2.Meßverfahren

Leider sind in mechanischen System die Kräfte nicht direkt elektrisch meßbar, so daß man hier auf die Kompetenz des Elektrotechnikers angewiesen ist.

Eine gute Möglichkeit zur Messung der Kräfte ist, die Dehnung des Materials aufzunehmen, da diese in den relevanten Grenzen ein lineares Verhalten (Hookesches Gesetz) aufweist. Über das E-Modul und den Materialquerschnitt kann dann leicht die Kraft im Konstruktionsteil errechnet werden.

Da sich die Dehnungen im Mikrometerbereich bewegen, ist es allerdings nicht so leicht, diese aufzunehmen. Die Industrie bietet dafür sog. Dehnungsmeßstreifen (DMS) an, welche die geringen Materialdehnungen in eine streng lineare Widerstandsänderung umsetzen. Mit Hilfe der Brückenschaltung mit nachgeschalteten Verstärker mit Referenzspannungsuelle ist es dann möglich, die Dehnung in ein direkt proportionales Spannungssignal zu überführen.

Dabei können mit dieser Methode alle 3 Raumachsen in ihren Spannungszuständen untersucht werden. Folgende Belastungsfälle müssen dafür gemessen werden:

1.) Biegungen senkrecht zu den Achsen des Teiles

2.) Torsionen in den Achsrichtungen des Teils

3.) Normalkräfte in Richtung der Krafteinleitung

Die Anordnungen der DMS sind dann entsprechend des gewünschten Meßwertes zu wählen.

Um aus den Widerstandsänderungen der DMS eine Dehnung bzw. Kraft zu erhalten, muß die Anordnung kalibriert werden.

Die Kalibrierung der fertigen Brücke ist dabei als wichtigster Schritt zu sehen, da diese die Zuordnung von Widerstandsänderung und Kraft festlegt. Hat man hier schon einen großen Fehler, ist die anschließende Messung zu ungenau. In der Praxis geschieht dieser Abgleich mit Hilfe eines hochpräzisen (<0,1%) Widerstandes, der parallel zu einem DMS geschaltet wird. Damit ergibt sich eine definierte Verstimmung, die mit den Materialkennwerten des DMS (k-Faktor, Eigenwiderstand) einer definierten Dehnung entspricht.

Insgesamt ergibt sich bei mit einem Shunt kalibrierten Systemen Fehler, welche die gesamte Genauigkeit stark herabsetzen. Gerade bei den kleinen Signalen von DMS ist die Fehlerfortpflanzung leider so stark, daß sich mit Shunt kalibrierten Systemen nur Genauigkeiten bis etwa 10% erreichen lassen.

Wenn man definierter messen muß, wird mit einer genauen Referenzkraft kalibriert. Dies ist insbesondere bei Tragwerken nicht möglich und funktioniert deshalb nur bei sehr einfachen Systemen wie z.B. Wägezellen. Dabei sind allerdings Genauigkeiten von 0,01% möglich.

2.Praktische Durchführung

Bei dem hier vorgestellten Mountainbike wurden nur kompensierte Vollbrücken verwendet, um die Genauigkeit durch Temperatur und Umwelteinflüsse nicht zu sehr zu verschlechtern.

Bei der Befestigung der DMS mit Klebstoff ist auf eine exakte Ausrichtung zu den Rohrachsen zu achten. Desweiteren muß die Klebestelle absolut fett- und schmutzfrei sein, damit sich keine Unebenheiten und Blasen unter dem DMS bilden können. Diese können die Messung ohne weiteres über mehrere Zehnerpotenzen verfälschen.

Die Klebstoffschicht muß natürlich sehr dünn sein, damit diese mit ihrer eigenen Elastizität die Dehnungen verfälscht. Üblicherweise werden hierfür niedrigstviskoser Cyanacrylat-Kleber („Sekundenkleber") benutzt.

Selbst beim Anpressen der zu klebenden DMS muß ein definierter Anpreßdruck eingehalten werden, um dem Material durch den Druck nicht schon eine Vorspannung zu geben, die ebenfalls ins Meßergebnis mit eingeht.

Die Verkabelung der DMS untereinander muß bei der Vollbrücke mit gleichlangen Kabeln erfolgen, da diese sonst nicht kompensiert werden und sich damit eine Temperaturabhängikeit mit in die Anordnung einschleicht, die man nicht mehr herausrechnen kann.

Der Brückenverstärker muß eine Verstärkung von 100 bis 500 aufweisen, so daß man das Signal gut mit einem Analog-Digital-Wandler weiterverarbeiten kann. Die Verstärkung sowie die Versorgungsspannung der Brücke müssen trotz Umwelteinflüsse und Temperaturschwankungen peinlichst genau eingehalten werden, um nicht bei der Signalkonditionierung zusätzliche Fehler zu machen. Wenn man hier einen Kompromiß eingeht, braucht man eigentlich gar nicht mehr zu messen, da die Verstärkerfehler (Offset, Drift etc.) mit dem Faktor der Verstärkung eingehen.

Letztenendlich müssen die Meßstellen noch gegen Feuchtigkeit und Oxidation durch Versiegeln mit Lack oder Silikon geschützt werden.

3. Auswertung

Die erhaltenen Meßwerte müssen mit Hilfe eines Rechners ggf. gefiltert und verarbeitet werden. Dabei entstehen schnell Datenvolumen von 5-8 Millionen Meßwerte für mehrere Meßstellen. Es leuchtet ein, daß solche Datenvolumen nicht mehr analytisch ausgewertet werden können, sondern nur noch mit statistischen Methoden behandelt werden können.

Bei manchen Meßfahrten, bei denen versucht werden muß, alle nicht gewünschten Einflüsse zu reduzieren, will man allerdings genaue Verläufe und Spannungs/Kraftniveaux messen, so daß hier das mühevolle „Durchsuchen" der aufgenommenen Werte nicht ausbleibt.

Aus den ermittelten Belastungsverteilungen können dann genaue Aussagen über die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Konstruktion getroffen werden.

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