BORBET: Aluminiumgussräder - getestet mit QuantumX MX410

Kürzere Entwicklungszeiten - das ist weltweit Ziel aller Technologieunternehmen. BORBET, weltweit führender Hersteller von Aluminiumrädern, zeigt, wie’s geht: Mit einem intelligenten System von effizienten Tests und Prüfungen. Immer mit dabei: Messtechnik von HBM - unter anderem der hochdynamische Messverstärker QuantumX MX410.

Aluminiumräder sehen edel aus - egal ob ihr Look sportlich, dynamisch oder klassisch ausgeprägt ist. Das optische Tuning eines Autos ist emotional, in ihm drückt sich Leidenschaft, Begeisterung und Stolz aus, der persönliche Stil des Besitzers findet darin Ausdruck.

Die Produktpalette von BORBET umfasst rund 2.000 verschiedene Leichtmetallrad-Varianten und es kommen immer noch neue Designs hinzu. Genau darin liegt ein großer Vorteil der Aluminium-Gussräder. Die gestalterische Kreativität wird einzig durch Größenvorgaben beschränkt.

Die Abmessung der verbauten Bremse, die Einpresstiefe des Serienrades sowie der Abrollumfang der Serienbereifung bestimmen die untere Grenze. Sie sind fest vorgegeben, weil Tachometer und Sensorik darauf abgestimmt sind. Und dazwischen werden ästhetische Träume wahr, denn Optik und Funktion lassen sich im Aluminiumgussverfahren weitaus schöner als beim Stahlrad in Einklang bringen.

Mathematik und harte Tests machen Schönheit sicherer

Es ist keine Frage, dass die filigran erscheinende Aluminiumvariante sicher und stabil die gleichen Belastungen aushalten muss, wie ihr robust wirkender Verwandter aus Stahl. In erster Linie ist ein Rad ein Sicherheitsbauteil. Technisches Know-how, Mathematik, Physik und umfangreiche Festigkeitsprüfungen machen aus kreativen Designs sichere Schönheiten.

Die Entwickler simulieren das neu entworfene Rad mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM), einem anerkannten Berechnungsverfahren in der Festkörpersimulation. Grundlage der Berechnungen ist das Hooksche Gesetz.

Es beschreibt den Zusammenhang zwischen einwirkender Kraft und der dadurch entstehenden Verformung im elastischen Bereich eines Festkörpers. Wirkt eine Kraft auf einen elastischen Körper, wird er entweder gedehnt oder gestaucht, dadurch entstehen Spannungen innerhalb des Materials.

Im elastischen Bereich eines Festkörpers ist dieser Zusammenhang linear, das bedeutet, die auftretende Spannung hängt direkt von dem werkstoffspezifischen Elastizitätsmodul und der Dehnung ab. Das Elastizitätsmodul oder E-Modul ist eine Konstante, die angibt, wie einfach oder wie schwer sich ein Werkstoff elastisch verformen lässt. Das E-Modul für Aluminium-Legierungen liegt beispielsweise zwischen 70 - 75 kN/mm² während Elastomere (Gummi) nur mit einem E-Modul im Bereich von 0.01 - 0.1 kN/mm² aufwarten können.

Hookesches Gesetz:

Bei der Finite-Elemente-Methode zerlegt man die komplexe Konstruktion in eine definierte (bestimmte / finite) Anzahl von Elementen. Jedes Element wird mit einer Gleichungszeile beschrieben, die den mechanischen Sachverhalt des Elementes mathematisch erfasst.

Die Elemente werden mit ihren Nachbarn über Knotenpunkte in Verbindung gesetzt. Anders gesagt, wenn eine Kraft an einem Element wirkt, wirkt sie in veränderter Form auch auf die Nachbarelemente. Über das Zusammenspiel aller Elemente-Gleichungen sind Spannungen an jedem Punkt innerhalb der gesamten Konstruktion in ihrer Wechselwirkung beschrieben.

Die daraus entstehende Strukturanalyse gibt ersten Aufschluss über das theoretische Belastungsprofil. Eine farbliche Markierung zeigt die Stellen mit der berechneten höchsten Belastung auf und gibt damit Hinweise auf mögliche Schwachstellen.


Strukturanalyse

Theorie und Praxis als Team

Die Simulation geht von günstigen Bedingungen aus. Anschließende praktische Tests überprüfen, ob die theoretischen Erkenntnisse sich durch Prüfergebnisse verifizieren lassen. Dazu werden im Bereich der berechneten Höchstbelastung Dehnungmessstreifen (DMS) aufgebracht. DMS reagieren auf Zug- oder Druckkräfte mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands.

Dehnungsmessstreifen appliziert auf einem Prüfling.

Diese Änderungen sind zu klein, um sie direkt auswerten zu können, deshalb werden DMS in Brückenschaltungen betrieben.

Diagramm einer Brückenschaltung

Die Dehnung ε ermittelt sich aus der Gleichung:

Präpariert mit den Dehnungsmessstreifen gehen die Aluminiumgussräder in die Biegeumlaufprüfung (BUP) oder in die Zweiaxiale Radprüfung (ZWARP).

In der ZWARP zeigen neu entwickelte Räder ihre tatsächlichen Struktureigenschaften. ZWARP hat quasi die Prüfstrecke ins Labor geholt. Da die Räder in den Prüfständen rotieren, werden die Signale mittels Telemetrie an den Messverstärker Quantum MX410 weitergegeben.

Dieser kompakte, vierkanalige Messverstärker ist Spezialist für die Erfassung und Analyse hochdynamischer, mechanischer Vorgänge. Jeder Kanal des Universalmoduls MX410 unterstützt sechs Aufnehmertechnologien und, verarbeitet Messraten von bis zu 96kHz/Kanal bei einer Auflösung von 24bit.

Er liefert damit sehr genaue Ergebnisse, wie sie bei der Erfassung hochdynamischer Kräfte und Beschleuniguingen benötigt werden. Das aufbereitete Messsignal steht neben dem digitalen Wert auch als Analogsignal zur Verfügung.

Somit lässt sich der MX410 problemlos an verschiedene Analysesysteme anschließen. Der MX410 kommuniziert sowohl über Ethernet als auch FireWire. Auf dem PC lassen sich die Werte beispielsweise mit der catman®AP Software erfassen, visualisieren und auswerten.

Harte 10.000 km im Test entsprechen 300.000 km auf der Straße

Laut Vorgaben verschiedener deutscher Automobilhersteller muss ein Rad eine sogenannte Bemessungslebensdauer von ca. 300.000 km überstehen, die während des ZWARP-Tests mit 10.000 km simuliert werden.

Während seiner 300.000 Kilometern Laufleistung quer durch Europa erlebt ein Rad in Fahrsituationen diverse typische Beanspruchungen und damit Schädigungen, die in dem sogenannten 98-stufigen Europazyklus nachgebildet sind.

Quasi im Zeitraffer spult das Rad auf dem Prüfstand in rund 10.000 Kkm diese Belastungen ab, wie es bei 300.000 km auf europäischen Straßen und ihren typischen Verhältnissen der Fall wäre. Mit dem Versuch im Prüfstand verkürzen sich die Entwicklungszeiten deutlich, notwendige konstruktive oder fertigungstechnische Änderungen lassen sich zeitnah vornehmen.

Kräfte und Momente

Hat eine Vorderachse eine zulässige statische Achslast von 1.000 kg, so bedeutet dies für jedes Rad 500 kg statische Tragfähigkeit. Zu der statischen Last, die ein Rad fahrzeugseitig ertragen muss, wirken aber vornehmlich die dynamischen Kräfte und Momente aus dem Fahrbetrieb wie Geradeausfahrt, Kurvenfahrt, Schlechtwegstrecke, ebenso aber Beanspruchungen wie z.B. Bordstein- oder Schwellenüberfahrt, die zu den Sonderbelastungen zählen.

Qualitätssicherung durch Biegeumlaufprüfung

Die ZWARP findet hauptsächlich bei der Rad-Neuentwicklung ihren Einsatz. Ein weiterer Härtetest ist die Biegeumlaufprüfung (BUP). Auf das Rad wirkten die Vertikalkraft sowie die horizontale Seitenkraft durch die Haftreibung des Reifens bei Kurvenfahrten. Aus beiden berechnet man das maximale Biegemoment und hat damit die Grundlage für die Prüfung.

Reale Biegemomente liegen je nach Fahrzeugart bei PKW oder Kleintransportern im Bereich von 2,5 kNm bis ca.10 kNm. Die TÜV-Räderrichtlinie schreibt für PKW-Räder aus Aluguss vor, dass 200.000 Lastwechsel bei 75% Biegemoment und 1.800.000 Lastwechsel bei 50% Biegemoment rissfrei den Test überstehen müssen. Nach den vorgeschriebenen Lastwechseln wird die Oberfläche auf Risse geprüft. Die BUP dient auch der Qualitätsüberwachung in der Produktion.

Optimierung für bessere Energiebilanz

Im Rahmen des Betriebsfestigkeitsnachweises werden auch mögliche Sicherheitsreserven ermittelt. Bei den Prüfungen stellt ein Rad als sicherheitsrelevantes Bauteil nicht nur seine Festigkeit für die vorgesehene Bemessungslebensdauer von 300.000 km (PKW) unter Beweis, sondern die Erkenntnisse werden auch für eine Materialmengenoptimierung der Radkonstruktion genutzt.

Dabei gilt die Maxime: so stark wie nötig, mit so wenig Material wie möglich. Denn weniger Material, also Leichtbau, bedeutet auch weniger ungefederte Masse, das Fahrzeug kann schneller und gleichzeitig spritsparender gefahren werden. Der Leichtbau trägt damit direkt zur Emissionsreduktion im Fahrbetrieb bei.

Ein weiterer wesentlicher Beitrag liegt in der eingesparten Aluminiummenge, denn die Herstellung von Aluminium ist sehr energieintensiv, gleichwohl kann das Material einfach wieder zu Sekundärmaterial eingeschmolzen werden. Bei vielen Millionen Rädern, die jährlich in der Borbet Gruppe gefertigt werden, ist jedes gesparte Gramm Material ein direkter Beitrag zur Energieeinsparung und verbesserten Umweltverträglichkeit.

Zusammenfassung

Messtechnik von HBM liefert einen entscheidenden Beitrag dazu, Ästhetik und faszinierende Designs von Alugussrädern in Einklang mit Funktion und Sicherheit zu bringen.

Die prüftechnisch ermittelten örtlichen Dehnungen liefern wichtige Erkenntnisse über die werkstofftechnische Beanspruchbarkeit und verschiedenen Beanspruchungen der Radkonstruktion und führen zu Materialeinsparungen und Verbesserung der Energieeffizienz.

Über BORBET

BORBET ist Spezialist für Aluminiumräder von höchster Qualität und mit faszinierendem Design. Das 1881 gegründete Familienunternehmen fertigt seit 1977 Leichtmetallräder und beliefert namhafte Automobilfirmen. BORBET produziert Aluräder, die Leidenschaft überall auf der Welt erfahrbar machen. Besuchen Sie die BORBET-Website

Die Entscheidung für HBM

"HBM ist für mich der führende Profi auf dem Gebiet der Messtechnik. Seinem guten Ruf auf dem Markt wird HBM absolut gerecht. Wir wurden professionell beraten, unsere Fragen wurden schnell und umfassend beantwortet und wir kamen damit effizient zu einer gut funktionierenden Lösung. Der MX410 ist komfortabel in der Handhabung, leicht zu bedienen und dabei sehr leistungsstark und kompakt. Klar setzen wir auch die Dehnungsmessstreifen von HBM ein, sofern unsere Kunden in ihren Spezifikationen uns keine anderen Vorgaben machen“.

Franz-Josef Völlmecke, Leiter Prüffeld Hochsauerland, BORBET

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