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S. Popprath:
"Kraftmesssystem für eine mehrachsige, servohydraulische Prüfeinrichtung";
Supervisor, Reviewer: J. Wassermann, H. Jörgl; Inst. für Mechanik und Mechatronik, 2006; oral examination: 2006-10-25.

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.
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. For railway vehicle components they are
accomplished by means of powerful multi-axial servohydraulic testing facilities.
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).
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. Hence, life endurance tests become inexecutable or lead to erroneous predictions for
the reliability of the component under test.
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. 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.
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.

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.
Elastomer-Metall-Verbundbauteile lassen sich vorteilhaft als Federungs- und Dämpfungselemente
in Drehgestellen von Schienenfahrzeugen einsetzen. 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.
Ein wichtiges Kriterium bei der Lebensdauerprüfung ist die Generierung von Prüfsignalen,
die zeitkomprimierte Belastungssimulationen mit zuverlässigen Rückschlüssen auf die Bauteillebensdauer
ermöglichen. Voraussetzung für eine richtige Bewertung der Versuchsergebnisse ist, dass
diese Prüfsignale (Belastungen) tatsächlich in der gewünschten Größe, Richtung und Dauer auf das
Bauteil einwirken.
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.
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.
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.

Project Head Johann Wassermann:
SZA - Entwicklung einer Kraftmesseinrichtung für eine 3D Elastomer-Prüfmaschine