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Experimentelle und numerische Untersuchung ein- und mehrachsig belasteter Elastomerbuchsen unter besonderer Berücksichtigung des Reihenfolgeeinflusses

Molls, Markus

Aufgrund ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften werden Elastomerbauteile in vielen technischen Anwendungen zur Lösung schwingungstechnischer Aufgabenstellungen eingesetzt. Gummi-Metall-Verbund-Bauteile werden nicht nur als dämpfende Aggregatelager für Maschinenteile verwendet, sie dienen auch als Verbindungselemente in Kupplungen. Die auf sie einwirkenden dynamischen Belastungen beeinflussen die Dauer ihres Einsatzes bis zu ihrem Ausfall maßgeblich. Die vorliegende Arbeit liefert neue Erkenntnisse zur Beschreibung des Bauteilzustandes dynamisch belasteter Elastomerbuchsen durch Bewertung von mithilfe des Hysterese-Messverfahrens ermittelten Kennwertverläufen und zum Einfluss unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen auf den Schädigungsverlauf. Im Rahmen der vorgestellten experimentellen Untersuchungen werden zylindrische Elastomerbuchsen in unterschiedlichen Versuchsführungen harmonisch wechselnd axial, radial und auf Torsion belastet. Die Auswertung der einstufigen und mehrstufigen Einachsversuche erfolgt durch Bewertung der Verläufe der eigenschaftsbeschreibenden Kennwerte dynamische Steifigkeit Cdyn_n und Dämpfungsarbeit AD_n. Diese werden durch die Anwendung des Hysterese-Messver¬fahrens aus den jeweils gemessenen Belastungen und Verformungen berechnet. Aus den vorliegenden Versuchsergebnissen wird abgeleitet, dass der Bauteilzustand anhand der Dämpfungsarbeit deutlich präziser beschrieben werden kann als anhand der dynamischen Steifigkeit. Nach der Definition des Ausfallkriteriums Änderung des Wertes der normierten Dämpfungsarbeit um 20 % werden die Gebrauchsdauern sämtlicher Versuche auf dieser Basis ermittelt und diskutiert. Im Rahmen der zweiachsigen Bauteilprüfung werden Elastomerbuchsen sowohl mit überlagerter Radial- und Torsionsbelastung als auch mit überlagerter Radial- und Axialbelastung phasengleich beaufschlagt. Durch die überlagerten Belastungen werden gegenüber den Einachsversuchen mit gleichen Belastungsstufen deutlich reduzierte Gebrauchsdauern festgestellt. Der Einfluss unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen auf den Schädigungsverlauf wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals an belastungsgeführten Axialversuchen untersucht und nachgewiesen. Dazu werden unterschiedliche Versuchsvarianten definiert, die sich durch die Reihenfolge der aufgebrachten Belastungsstufen, durch Sonderereignisse mit mehrfach überhöhten Belastungsamplituden und durch wiederkehrende Belastungspausen unterscheiden. Für alle zuvor experimentell untersuchten Belastungsfälle werden die in den belasteten Elastomerbuchsen auftretenden Deformationen und Beanspruchungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode berechnet. Die Vergleiche mit Schadensbildern von zuvor experimentell belasteten Buchsen zeigen für alle Belastungsfälle, dass die innerhalb der Elastomerspuren mithilfe der FEM lokalisierten Bereiche höchster Spannungen und Dehnungen den Bereichen entsprechen, von welchen im Experiment eine erkennbare Rissbildung ausgeht. Die Berechnungsergebnisse werden durch die Vergleiche mit den experimentell ermittelten Verschiebungen und Schadensbildern qualitativ bestätigt und abgesichert. Die in dieser Arbeit durch experimentelle Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der vielfältigen Kennwertverläufe sowie der ebenfalls durch Versuche belegte Einfluss der Belastungsreihenfolge auf den Schadensverlauf verlangen nach einer nicht linearen Schadensakkumulationrechnung. Es wird untersucht, welche der mithilfe der FEM berechneten Beanspruchungsgrößen in diesem Rahmen einzusetzen ist.

Due to their special mechanical properties, elastomeric parts are used in many technical applications to solve vibration control problems. Furthermore, rubber-metal component parts are used not only as damping mounts for machine parts, they also serve as transmission elements in couplings. The dynamic loads acting on them affect the life cycle period until their failure significantly. The present work provides new insights into the description of the condition of dynamically loaded elastomer bushings by using the evaluation of characteristic values found on the basis of the hysteresis measuring method. The study also shows the influence of different load sequences on the damage process. In different tests, harmonically alternating radial, axial and torsional loads are applied on cylindrical elastomer bushings. These one-stage and multi-stage uniaxial tests are evaluated by describing the development of the characteristic values dynamic stiffness Cdyn_n and damping work AD_n. These are obtained by using the hysteresis measuring method on the measured loads and deformations. The presented experimental results lead to the conclusion that the component state can be described much more precisely on the basis of the damping work than on the basis of the dynamic stiffness. After definition of the failure criterion ‘change in the value of the standardized damping work by 20 %’, the life cycle periods of all the tests are calculated and discussed on this basis. Using experimental setups specially developed for biaxial tests, elastomer bushings are subjected to different loads both with superimposed radial and torsional load and with superimposed radial and axial load. The simultaneous loads are in both cases in phase. As a result of the superimposed loads, significantly reduced life cycle periods are observed compared to the uniaxial tests with the same load levels. The influence of different load sequences on the damage process and thus on the characteristic curves is examined and proven in this study for the first time on load controlled axial component tests. For this purpose, different test sequences are defined. They differ in the order of the applied load levels, regularly occurring load peaks and hourly recurring load breaks. For all examined loading cases, the deformations and strains occurring in the loaded elastomer bushings are calculated using the finite element method. Comparisons with damage patterns of experimentally loaded bushings show for all loading cases that the areas of maximum stress and strain localized within the elastomer using FEM correspond to the areas from which a recognizable cracking starts during the experiment. The calculation results are qualitatively confirmed by the comparison with the experimentally detected displacements and damage patterns. The conclusions found in this study concerning the varied characteristic curves and the influence of the load sequences on the damage process demand a non-linear cumulative damage calculation. It is discussed which of the FEM-calculated values should be used in this context.

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Molls, Markus: Experimentelle und numerische Untersuchung ein- und mehrachsig belasteter Elastomerbuchsen unter besonderer Berücksichtigung des Reihenfolgeeinflusses. 2013.

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