3D-vibration testing for automotive components

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine ganzheitliche Methodik zur Auslegung und Bewertung multiaxialer Vibrationstests für Fahrzeugkomponenten entwickelt. Ziel ist es dabei ein Schädigungsvergleich zwischen herkömmlich sequentiell uniaxialen und multiaxialen Tests zu ermöglichen. Die Schädigungen werden durch das Strukturspannungskonzept beschrieben. In der Praxis wird häufig aus Zeit- und Kostengründen auf detaillierte Simulationen und auch auf die Verwendung von Dehnungsmessstreifen zur Bestimmung lokaler mechanischer Spannungen verzichtet. Zunächst soll eine sinnvolle Berechnungsgröße gefunden werden, welches die Ermüdung ausreichend genau beschreibt. Hierfür wird eine bestehende Vergleichsspannungsformulierung verwendet, welche in Abhängigkeit von modalen Geschwindigkeiten und Geometriefaktoren aus vereinfachten Finite Elemente Modellen beschrieben wird. Modale Geschwindigkeiten, bei denen gezeigt werden kann, dass sie in guter Näherung proportional zu lokalen mechanischen Spannungen sind, können effizient durch Beschleunigungsaufnehmer und anschließende Integration ermittelt werden. Die allgemeine Beziehung zwischen Geschwindigkeiten und Schädigung wird durch Ermüdungstests an einfachen Bauteilen bestätigt. Im Rahmen der Arbeit wird der Prototyp eines elektrodynamischen, tri-axialen Schwingtischs verwendet, welcher auf die Anforderungen der Automobilindustrie zugeschnitten und somit kein allgemein verfügbarer Standard ist. Es werden Modifikationen an der Aufspannvorrichtung vorgenommen, um die Regelgüte zu erhöhen und den hierauf negativen Einfluss der Resonanzen der Lagereinheit abzuschwächen. Fahrzeugmessdaten sollen dadurch in zufriedenstellendem Umfang qualitativ abgebildet werden können. Im weiteren Vorgehen werden Überlegungen zur Ableitung von multiaxialen Prüfprofilen durchgeführt. Die vorhandenen Methoden für die Definition uniaxialer und multiaxialer Profile werden untersucht und nach Möglichkeit erweitert. Dabei sollen die in der Automobilindustrie verwendeten praktischen Herangehensweisen beibehalten und um die notwendigen, aus Fahrzeugmessdaten erhaltenen Phaseninformationen erweitert werden. Die komplette Methodik wird an drei mechanischen Komponenten demonstriert. Als Ergebnis wird der Unterschied in der Schädigung im Vergleich zur herkömmlichen Erprobung evaluiert.

The present work aims at implementing a full multi-axis vibration testing methodology for automotive components. A key objective is the fatigue damage comparison between common sequentially applied uniaxial and multiaxial vibration tests on a given shaker system with realistic test profiles. In practice, time consuming and costly simulations and the application of strain gauges are to be avoided for the prediction of local stresses causing fatigue damage. Therefore, a reliable measurement quantity to predict local stresses is to be found. An equivalent stress concept based on modal velocities and geometric factors obtained from simplified finite element models is proposed. Velocities, that sufficiently relate to local stresses, are easily to be extracted from accelerometers, which are widely established in vibration testing, and a subsequent numerical integration. The general relationship between modal velocities and fatigue damage is further proven through end of life tests of simple specimens. All vibration tests are to be conducted on an electrodynamic triaxial shaker prototype which was developed regarding the requirements of the automotive industry. Respective shaker systems are not widely available as standard test equipment. Fixture modifications are conducted in order to ensure an effective control and to overcome the resonances of the bearing unit. Thereby, the goal is to sufficiently replicate field measurements. In further procedure, considerations are made regarding multiaxial test profile derivation based on available field data. Several existing approaches for both uniaxial and multiaxial profile definition are investigated and extended. Thereby, the goal is to maintain the current practice in uniaxial vibration testing of automotive components and to include relevant phase information obtained from field data. The entire multi-axis testing methodology is demonstrated on three mechanical structures. Furthermore, an evaluation regarding the difference to common sequential uniaxial tests is performed. Page