Zyklusprüfung: Grundlagen, Sensoren und Prüfprofile
In der Prüf- und Messtechnik wird ein Bauteil, eine Baugruppe oder ein fertiges Produkt bei der Zyklusprüfung über lange Zeiträume wiederholten, wechselnden oder hin- und hergehenden Belastungsfolgen ausgesetzt.
Während sich die klassische Ermüdungsprüfung in der Regel auf die Dauerfestigkeit von Werkstoffen und das Risswachstum unter zyklischer Spannung konzentriert, ist die Zyklusprüfung breiter angelegt. Sie bewertet die funktionale Zuverlässigkeit insgesamt, kinematischen Verschleiß, die Dichtheit von Dichtungen, die Schaltlebensdauer von Schaltern, das Lösen von Verbindungen und die mechanische Alterung über Hunderte, Tausende oder Millionen von Betriebszyklen.
Aussagekräftige Zyklusprüfungen erfordern Sensoren und Messelektronik, die dauerhafter dynamischer Schwingbelastung standhalten – ohne Nullpunktdrift, Ermüdung des internen Verformungskörpers oder Signalverfälschung durch mechanische Resonanz. Die Sensorauswahl, die Systemdynamik und die Steifigkeit der Montage bestimmen unmittelbar die Messgüte über lange Prüfprogramme hinweg.
Funktionsweise und dynamische Einflussgrößen der Zyklusprüfung
Bei der statischen Kraftmessung wird die aufgebrachte Last mit minimalem Trägheitseinfluss in den Verformungskörper des Kraftaufnehmers eingeleitet. Bei der Zyklusprüfung hingegen kommen dynamische Größen wie Prüffrequenz, Lastverlauf und die Masse der Prüfvorrichtung hinzu, die den Messkreis fortlaufend beeinflussen.
Treibt beispielsweise ein mechanischer Aktuator einen Wechsellastverlauf an, misst der Kraftaufnehmer nicht nur den Widerstand des Prüflings. Er beschleunigt und verzögert zugleich jede Vorrichtung, jedes Werkzeug und jeden Adapter zwischen seiner aktiven Messfläche und dem Prüfling. Diese zusätzliche Masse erzeugt Trägheitskräfte (F = m·a), die – unkorrigiert – Phasenverschiebungen und Amplitudenfehler im aufgezeichneten Kraftsignal verursachen.
Bei dynamischen Zyklusprüfungen muss außerdem die Eigenfrequenz des Messsystems sorgfältig bewertet werden. Läuft ein Prüfrahmen mit Frequenzen nahe der Eigenfrequenz von Kraftaufnehmer und Vorrichtung, kommt es zu mechanischer Verstärkung: Es entsteht Resonanz, die die Messgenauigkeit verschlechtert und die internen Biegebalken des Sensors schnell überlasten kann. Für ein lineares Signal ohne dynamische Verzerrung muss die Eigenfrequenz des eingebauten Kraftaufnehmers deutlich über der Prüffrequenz des Aktuators liegen.
Unter andauernder zyklischer Belastung erzeugt die Dehnung im Verformungskörper durch mechanische Hysterese geringe lokale Wärme. Hinzu kommt die elektrische Erwärmung durch die ständige Speisung der DMS-Brücke. Sensoren für die Zyklusprüfung nutzen deshalb spezielle Dehnungsmessstreifen, Temperaturkompensation und Verformungskörper aus abgestimmten Legierungen, um thermische Nullpunktverschiebungen zu vermeiden und die Kalibrierung auch über mehrere Millionen Zyklen zu halten.
Sensortypen für die Zyklusprüfung
Für Zyklusprüfungen braucht es Aufnehmer, die gezielt auf hohe Ermüdungsfestigkeit und Stabilität unter Wechsellast ausgelegt sind. Interface bietet mehrere Sensormodelle, die diese Anforderungen erfüllen.
Ermüdungsfeste LowProfile-Kraftaufnehmer sind auf geringe interne Verformung und niedrige Kerbwirkung hin gefertigt. Diese flachen Scherstab-Kraftaufnehmer sind für 100 Millionen voll wechselnde Lastzyklen auf Zug und Druck oder nur auf Druck ausgelegt. Ihre Geometrie hebt störende Querkräfte und außermittige Biegemomente auf, die häufig entstehen, wenn sich Prüfvorrichtungen bewegen oder mit der Zeit verschleißen. Zu dieser Bauart gehören unser 1000 Fatigue-Rated Universal LowProfile® Load Cell und unser 1000 High Capacity Fatigue-Rated Universal LowProfile® Load Cell.
Miniatur-Biegebalken- und S-Kraftaufnehmer werden häufig für Validierungs-, Dauerlauf- und Leistungsprüfungen an Produkten und Bauteilen aller Art eingesetzt. Dank ihrer kompakten Bauform eignen sie sich ideal für Zyklusprüfungen bei beengten Platzverhältnissen. Miniatur-Kraftaufnehmer sind kompakte Universal-Kraftaufnehmer, die zyklische Kräfte in einem breiten Messbereichsspektrum erfassen. Spezielle Legierungen sorgen trotz der geringen Größe für hohe Haltbarkeit. Für diese Prüfungen eignen sich zum Beispiel unser SSMF Fatigue Rated S-Type Load Cell und unser MBI Overload Protected Miniature Beam Load Cell.
Reaktions- und Rotations-Drehmomentaufnehmer kommen bei zyklischen Prüfungen an Maschinen, Werkzeugen und Schaltern zum Einsatz. Mit Rotations-Drehmomentaufnehmern werden Bauteile wie Ventile, Elektrowerkzeuge, Scharniere und Montagevorrichtungen gemessen. Reaktions-Drehmomentaufnehmer messen wechselnde, oszillierende Drehmomente ohne Rotation, während Rotations-Drehmomentaufnehmer in Wellenbauform fortlaufende zyklische Drehbewegungen unter dauerhafter dynamischer Last überwachen.
Mehrachsensensoren liefern wertvolle Daten, wenn eine schwingende Baugruppe axialen und seitlichen Lasten ausgesetzt ist – etwa ein Greifer, ein Kugelgelenk oder ein Gelenksimulator, der mit hohen Zyklenzahlen geprüft werden muss. Mehrachsensensoren erfassen voneinander unabhängige lineare Kräfte und Biegemomente gleichzeitig, ohne dass aufwendige Anordnungen aus mehreren Sensoren nötig sind.
Vier Prüfprofile für die Zyklusprüfung
Welcher Prüfaufbau für die Zyklusprüfung der richtige ist, hängt vom Verfahren und von den Parametern des Prüfprofils ab. Hier vier Beispiele.
#1 – Einseitige Zyklen nur auf Zug oder nur auf Druck
Bei diesem Profil wird die Last von null bis zu einem festgelegten Spitzenwert aufgebracht. Da der Sensor nicht durch den Nullpunkt in die Gegenrichtung belastet wird, erfährt der Verformungskörper nur eine schwellende Beanspruchung. Standard-Universal-Kraftaufnehmer können daher eingesetzt werden, sofern sie mit ausreichender Reserve gegenüber den dynamischen Spitzenlasten ausgewählt werden.
#2 – Voll wechselnde Zug-Druck-Zyklen
Bei diesem Profil wird die Last durch den Nullpunkt abwechselnd in den positiven und negativen Bereich geführt. Durch diesen Wechsel verlagern sich die internen Dehnungsfelder zwischen Zug und Druck. Erforderlich ist deshalb ein eigens ermüdungsfester Sensor, dessen mechanische Auslegung Mikrofließen und ein vorzeitiges Versagen des Verformungskörpers verhindert.
#3 – Prüfungen mit hoher Frequenz und hoher Zyklenzahl
Bei Frequenzen von mehreren Zehn bis Hunderten Hertz sind leichte, extrem steife Kraftaufnehmer gefragt. Die minimale Verformung des Sensors verringert in diesen Systemen den erforderlichen Hub hydraulischer oder elektrodynamischer Aktuatoren – das optimiert das Systemverhalten und nutzt den Stellweg des Aktuators bestmöglich aus.
#4 – Langzeitprüfungen mit hoher Zyklenzahl
Dieses Prüfprofil legt den Schwerpunkt auf langfristige Nullpunktstabilität, minimales Kriechen und ein hohes Brückenausgangssignal über Wochen oder Monate kontinuierlicher Zyklen. Der Brückenabgleich hat hier Vorrang vor einer hohen Eigenfrequenz.
Kriterien für Einbau, Ausrichtung und Signalaufbereitung
Verlässliche Daten über Millionen von Zyklen erfordern höchste Sorgfalt bei den mechanischen Schnittstellen und der elektronischen Datenerfassung. Sehen Sie sich als Beispiel dieses Einbauvideo unserer S-Kraftaufnehmer an.
Halten Sie die mechanische Ausrichtung entlang der Messachse über den gesamten Zyklushub ein. Winkel- oder Parallelversatz zwischen Aktuator, Kraftaufnehmer und Prüfling erzeugt beispielsweise störende Scherkräfte und Biegemomente. Selbst bei ermüdungsfesten Scherstab-Sensoren, die Querkräfte von sich aus dämpfen, verkürzen dauerhaft zu große außeraxiale Kräfte die Lebensdauer von Gewindebolzen, Lagern und Verformungskörpern. Setzen Sie Gelenkköpfe, sphärische Ausgleichskupplungen oder präzisionsgefertigte Führungsbuchsen ein, um unerwünschte Biegemomente zu entkoppeln.
Ziehen Sie Verbindungselemente mit kalibrierten Drehmomentwerkzeugen exakt auf die vorgegebenen Werte an. Bei dynamischen Zyklusprüfungen können wechselnde Spannungen Verbindungen lockern – mit der Folge von Reibkorrosion, Signalrauschen und im schlimmsten Fall dem Abscheren von Schrauben. Prüfen Sie vor dem Start langer Prüfzyklen die Einschraubtiefe, hochfeste Gewindebolzen aus Legierungsstahl und formschlüssige Sicherungen.
Die Messelektronik zur Datenerfassung muss zum dynamischen Profil der Prüfung passen. Analoge Signalaufbereiter und Messverstärker benötigen eine ausreichende Bandbreite, um dem gewählten Zyklusverlauf zu folgen, ohne hochfrequente Spitzen zu dämpfen oder kurze Ereignisse phasenverschoben wiederzugeben. Die Abtastrate sollte mindestens 20 bis 50 Messpunkte je Zyklus liefern, damit Spitzen- und Talwerte der Kraft genau erfasst werden. Bei Langzeit-Zyklusprüfungen arbeiten Datenerfassungssysteme häufig mit automatischer Hüllkurvenverfolgung oder Burst-Aufzeichnung, um die zyklischen Spitzenwerte zu erfassen, ohne übermäßig große Datenmengen zu erzeugen.
Anwendungen der Zyklusprüfung mit Sensoren und Messelektronik von Interface
Zyklusprüfungen kommen in vielen Ingenieursdisziplinen zum Einsatz, in denen strukturelle Integrität, Verschleißlebensdauer und Funktion unter wiederholten Betriebsbedingungen nachgewiesen werden müssen.
- Validierung von Fahrzeugkomponenten und -baugruppen: Prüfung von Fahrwerkslagern, Türscharnieren, Bremspedaleinheiten, Stoßdämpferaufnahmen und Sitzverriegelungen über Millionen simulierter Straßenlast- und Betätigungszyklen.
- Zyklusprüfung von Verbindungselementen und Steuerflächen in der Luft- und Raumfahrt: Strukturschrauben, Verbundwerkstoffverbindungen, Klappenaktuatoren und primäre Steuergestänge werden kontinuierlichen Wechsellast-Spektrumprüfungen unterzogen, um ihre Ermüdungslebensdauer vor den planmäßigen Wartungsintervallen nachzuweisen.
- Biegewechselprüfung von Roboterkabeln und -gelenken: Nachweis der mechanischen Lebensdauer von Spezialkabeln, flexiblen Schutzschläuchen und Robotergelenken, die auf automatisierten Fertigungslinien wiederholten Biege- und Torsionsbewegungen ausgesetzt sind.
- Prüfung von Unterhaltungselektronik und Schaltern: Messung von Betätigungskraft, Nachlassen des Druckpunkts und Federermüdung über Hunderttausende von Zyklen an Tastern, Tastaturen, Laptop-Scharnieren und faltbaren Displays.
- Dichtheit von Verpackungen und Behältern: Bewertung von Siegelfestigkeit, Haltbarkeit von Bördelverschlüssen und Druckbeständigkeit unter Wechselbelastung bei Arzneimittelfläschchen, Getränkedosen und industriellen Flüssigkeitsverpackungen.
- Dauerprüfung von Industrieventilen und Stellantrieben: Überwachung von dynamischem Drehmoment und Schließkraft über lange Auf-Zu-Zyklen, um Dichtungsverschleiß, Packungsreibung und Motorleistung unter dauerhaftem Betriebsdruck zu bewerten.
- Haltbarkeit von Medizinprodukten und Implantaten: Gelenkimplantate, Wirbelsäulenstäbe, chirurgische Klammernahtgeräte, Kathetermechanismen und Medikamentenpumpen durchlaufen Simulationsprotokolle mit hohen Zyklenzahlen, um die regulatorischen Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit zu erfüllen.
Mehr dazu erfahren Sie im Video von Interface zur Prüfung mit hohen Zyklenzahlen.
Zyklusprüfung mit Interface
Die Zyklusprüfung ist ein grundlegendes Prüfverfahren, um die Dauerhaltbarkeit von Produkten nachzuweisen, mechanischen Verschleiß zu verfolgen und die Lebensdauer unter wiederholter dynamischer Belastung zu bestimmen. Anders als bei der statischen Kraftmessung müssen bei dynamischen Prüfungen Prüffrequenz, die Beschleunigung der Vorrichtungsmasse, die Eigenfrequenz des Aufbaus und die mechanische Ausrichtung sorgfältig bewertet werden, um Signalverzerrungen und Ermüdungsbrüche am Sensor zu vermeiden.
Mit Aufnehmern, die für hohe Zyklenzahlen ausgelegt sind – etwa ermüdungsfeste LowProfile-Kraftaufnehmer, Miniatursensoren, Mehrachsensensoren und Reaktions-Drehmomentaufnehmer –, erfassen Prüfingenieure synchronisierte, hochgradig reproduzierbare Kraft- und Drehmomentdaten über lange Prüfzyklen. In Kombination mit breitbandiger Signalaufbereitung, steifen mechanischen Schnittstellen und sauber entkoppelten Vorrichtungen liefern diese Sensoren die Messgüte, die für die Validierung von Bauteilen in Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizintechnik, Energietechnik und industrieller Prüftechnik nötig ist.