Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N

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1 Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N Analysen zur Bestimmung der Prüfdauer für Vibrationsprüfungen genormter Prüfverfahren zur Simulation von Transportschwingungen im Straßengüterverkehr Forschungsvereinigung Deutscher Forschungsverbund Verpackungs-, Entsorgungs- und Umwelttechnik e.v., Hamburg, Forschungsstelle Institut für BFSV an der HAW Hamburg, Prof. Dr.-Ing. B. Sadlowsky, Dipl.-Ing. F. Volkmann Hamburg im April 2014

2 I - Vorwort I Vorwort Das IGF-Vorhaben N der Forschungsvereinigung Deutscher Forschungsverbund Verpackungs-, Entsorgungs- und Umwelttechnik e.v. (DVEU) Hamburg wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N II

3 II - Inhaltsverzeichnis II Inhaltsverzeichnis I II III Vorwort... II Inhaltsverzeichnis... III Abbildungsverzeichnis... IV IV Tabellenverzeichnis... VI V Abkürzungsverzeichnis... VII 1 Einleitung und Forschungsziel Grundlagen Schutzfunktion der Verpackung Qualitätssicherung durch Verpackungsprüfungen im Labor Genormte Verfahren Belastungsintensität und Prüfdauer Problematik der Prüfdauer bei rauschförmigen Schwingungen Durchführung Ergebnisse Auswahl geeigneter Prüfmuster Optimierung des Prüfaufbaus Muttern auf Gewindestangen Generieren von Referenzpunkten Prüfeinrichtung und Prüfaufbau Untersuche Vibrationsspektren Ermittelte Referenzpunkte Berechnung der simulierten Transportentfernung Linearitätsnachweis Validierung der Ergebnisse des Prüfaufbaus Äquivalente Prüfdauer Zusammenfassung VI Quellenverzeichnis... X Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N III

4 III - Abbildungsverzeichnis III Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Fälle der Dimensionierung von Verpackungen... 2 Abb. 2: Überblick Transportbelastungen /5/... 3 Abb. 3: Schwingprüfeinrichtung zur Prüfung von Paketen und Ladeeinheiten... 4 Abb. 4: Abb. 5: Abb. 6: Schematischer Aufbau: Regelkreises einer elektro-dynamischen Schwingprüfanlage mit digitalem Schwingregelsystem /4/... 5 PSD Diagramm nach ISTA 3E / 0,54 grms (li.) und ISTA 1C-1,15 grms (re.)... 7 Erzeugen des PSD (re.) aus einem Beschleunigungs-Zeit-Signal (li.) durch Fourier-Transformation... 8 Abb. 7: Prüfaufbau Gewindestangen Abb. 8: Prüfaufbau Sieben von Sand und Gewindestangen, Vorversuch Abb. 9: Prüfaufbau Mutternabstand 50 mm Abb. 10: Prüfaufbau 100 mm Abb. 11: Schwingprüfanlage RMS SW 3509-TGD Abb. 12: Prüfaufbau Hauptversuche Abb. 13: Präzisionshöhenanreißer nach DIN Abb. 14: Prüfkurven SRETS Pegel 1, 2, und 3. /7/ Abb. 15: Prüfkurven ASTM D4169 Assurance Level 1, 2, 3 /8/ Abb. 16: Prüfkurven DIN EN ISO /9/, ISTA 3E /10/, MIL-STD 810G /11/ Abb. 17: Linearitätsnachweis SRETS Pegel Abb. 18: Linearitätsnachweis SRETS Pegel Abb. 19: Linearitätsnachweis ASTM D4169, Lv Abb. 20: Linearitätsnachweis DIN EN ISO Abb. 21: Prüfaufbau mit 3 Packstückstapeln Abb. 22: Prüfaufbau mit Stülpdeckel Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N IV

5 III - Abbildungsverzeichnis Abb. 23: Beispiel einer Scheuerstelle Abb. 24: Beispiel einer Delle Abb. 25: Beispiel einer Scheuerstelle durch Verdrehen Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N V

6 IV - Tabellenverzeichnis IV Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Normen und Standards mit Angabe der Prüfdauer / Transportentfernung... 7 Tabelle 2: Referenzprüfspektrum SRETS Tabelle 3: Mögliche Ergebnisse vergleichender Untersuchungen (Beispiel) Tabelle 4: Übersicht Prüfmusterauswahl für Vorversuche und Ergebnisse Tabelle 5: Untersuchte Prüfspektren Tabelle 6: Zurückgelegte Wege der Muttern mit dem Referenzprüfspektrum in mm Tabelle 7: Zurückgelegte Wege der Muttern mit den Normprüfspektren in mm Tabelle 8: Verhältnis Normprüfspektren bezogen auf SRETS Pegel Tabelle 9: Verhältnis Normprüfspektren bezogen auf SRETS Pegel Tabelle 10: Simulierte Transportentfernung nach 60 min. in km Tabelle 11: Prüfdauer je 1000 km in min Tabelle 12: Zuordnung von Prüfspektren zur Straßenqualität Tabelle 13: Bestimmtheitsmaße R² der untersuchten Prüfspektren Tabelle 14: Mittlere Anzahl der Schäden je Dose Tabelle 15: Umrechnungsfaktoren - äquivalente Prüfdauern genormter Prüfspektren Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N VI

7 V - Abkürzungsverzeichnis V Abkürzungsverzeichnis ASTM DIN EN FFT ISO ISTA LKW Lv MIL-STD PSD SRETS TUL American Society for Testing and Materials Deutsches Institut für Normung Europäische Norm Fast Fourier Transformation International Organisation for Standardisation International Safe Transit Association Lastkraftwagen Level Military Standard (US Militär) Power Spectral Density (Spektrale Leistungsdichte) Source Reduction by European Testing Schedules Transport, Umschlag, Lagerung Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N VII

8 Kapitel 1 - Einleitung und Forschungsziel 1 Einleitung und Forschungsziel Für die rohstoffarme exportorientierte Volkswirtschaft Deutschlands besitzt der Imund Export von Roh- und Werkstoffen, hochwertigen Halbfabrikaten und Fertigprodukten einschließlich ihres effizienten Transports eine essentielle Bedeutung. Das Statistische Bundesamt bezifferte das Exportplus für das Jahr 2010 auf 18,5 Prozent und dass Importplus auf 19,9 Prozent. Nach dem Krisenjahr 2009 trieben vor allem boomende Schwellenländer wie China, Brasilien und Indien die Geschäfte von Maschinen- und Autobauern, Chemie- und Elektroindustrie, sodass sich Ende des Jahres 2011 das deutsche Außenhandelsvolumen deutlich über dem Vorkrisenniveau /1/ befand. Wesentliche Qualitätsverluste an Waren führen zu Exporteinbußen. Sie werden vor allem durch mechanische, klimatische und biotische Belastungen hervorgerufen. Bei der Gestaltung von Versandverpackungen müssen folglich alle auftretenden Faktoren berücksichtigt und darauf abgestimmte Maßnahmen zum Schutz der Güter ergriffen werden. Unter- bzw. überdimensionierte Verpackungen verursachen erhöhte Kosten für Verpackungsmaterial, Abfallentsorgung und Schadensaufwendungen, aber auch Lieferausfälle infolge von Transportschäden. Experten schätzen, dass nicht belastungsgerechte Verpackungen jährlich Schäden von rund einer halben Milliarde Euro verursachen. Das sind ca. 10 % aller versicherten Warenschäden. Von diesen Transportschäden wären ungefähr 70 % durch geeignete Schadensverhütungsmaßnahmen vermeidbar gewesen. /2/ Zu den schadensvorbeugenden Maßnahmen zählt auch die genormte Prüfung der Verpackung für den weltweiten Versand im Labormaßstab. Neben der Beachtung der deutschen DIN-Normen müssen deutsche Unternehmen im zunehmenden Maß auf Forderungen ihrer weltweiten Kunden eingehen und auch internationale Prüfnormen erfüllen. Diese unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Parameter Prüfdauer und Prüfintensität untereinander deutlich, obwohl sie grundsätzlich die gleiche Transportentfernung bei gleichem Transportmittel simulieren sollen. Bis heute existieren keine belastbaren Untersuchungen, welche die Prüfspektren untereinander vergleichen. Ein Vergleich ist nur möglich, wenn die Parameter Prüfdauer und Prüfintensität der verschiedenen Normen ins Verhältnis zur Transportstrecke gesetzt werden können. Ziel dieses Vorhabens ist es, im ersten Schritt geeignete Prüfmuster und eine geeignete Methodik zu finden, um die Prüfnormen miteinander vergleichbar zu machen und zu bewerten. Die lückenhaften Prüfnormen sollen ergänzt werden. Aufgrund dieser Vervollständigung soll ein Vergleich der Prüfnormen erfolgen. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 1

9 Kapitel 2 - Grundlagen 2 Grundlagen 2.1 Schutzfunktion der Verpackung Die Europäische Richtlinie 94/62/EG (vom 20. Dezember 1994) über Verpackungen und Verpackungsabfälle fordert den sorgsamen Umgang mit Ressourcen. Die darin enthaltene Zielsetzung zur Vermeidung beziehungsweise Reduzierung von Verpackungsabfällen erfordert unter anderem zur Wahrung eines ausreichenden Schutzes der Transportgüter, dass der notwendige Verpackungsaufwand auf die zu erwartenden Transportbelastungen abgestimmt werden kann. Verpackungen haben die Aufgabe Waren in der Distribution, d.h. bei Transport, Umschlag und Lagerung, vor Beschädigungen und damit vor Qualitätsminderung oder gar -verlust zu schützen. Bei der Dimensionierung von Verpackungen sind sowohl technische, als auch wirtschaftliche Gesichtspunkte zu berücksichtigen. D.h. eine Verpackung ist im Idealfall so ausgelegt, dass sie durch ein Minimum an Verpackungsmaterial den technisch notwendigen Schutz für das zu versendende Produkt bietet. Der technisch notwendige Schutz ergibt sich aus der Diskrepanz zwischen der Belastbarkeit des unverpackten Produktes (Packgutempfindlichkeit) und den Belastungen, die während Transport, Umschlag und Lagerung (TUL-Belastungen, Transportbzw. Versandbelastungen) auf das Produkt einwirken können. Diese Diskrepanz ist von der Verpackung optimal auszugleichen. Eine Unterdimensionierung der Verpackung ist zu vermeiden, da sie keinen ausreichenden Schutz bietet und eine überdimensionierte Verpackung verschwendet Ressourcen (Abb. 1). Abb. 1: Fälle der Dimensionierung von Verpackungen Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 2

10 Kapitel 2 - Grundlagen 2.2 Qualitätssicherung durch Verpackungsprüfungen im Labor Die Überprüfung der Dimensionierung von Verpackungen erfolgt seit vier Jahrzehnten durch Laborprüfungen. Bei diesen Laborprüfungen werden die in der Praxis auftretenden Transportbelastungen mit spezieller Prüftechnik simuliert (Versandsimulation), wobei es für jede Art der Transportbelastung eigene Prüfeinrichtungen gibt. Untersucht werden häufig auch Produkte ohne Verpackung, damit konstruktiv bedingte Schwachstellen am Produkt bei Versandbelastungen ermittelt werden können. In der Folge können angepasste Konstruktionen die Empfindlichkeit des Produktes verringern und auf diese Weise den notwendigen Verpackungsaufwand reduzieren. Als Transportbelastung gelten alle physikalischen, chemischen, biologischen oder sonstigen Einflüsse, die (auch gleichzeitig) während Transport, Umschlag-, und Lagerung auftreten und zu Beschädigungen von Transportgütern, Verpackungen und Ladehilfsmitteln führen können /3/. Sie lassen sich in folgende Einflussgrößen aufteilen /4/: Mechanisch-statische Einflüsse, die bei der Lagerung verpackter Produkte auftreten (Überstapelung) Mechanisch-dynamische Einflüsse, die während Transport und Umschlag auftreten und die statischen Belastungen überlagern Klimatische Einflüsse, in Form der relativen Luftfeuchte, Luftverschmutzungen und Temperatureinwirkungen, die permanent auf Transportgüter und deren Verpackungen einwirken und zudem die mechanischen Belastungen überlagern Biologische Einflüsse, wie Schimmelbildung oder Ungezieferbefall usw. Überblick Transportbelastungen Klimaeinflüsse Temperatur Feuchtigkeit Sonne (UV) Regen / Schnee Druck Stoß / Fall Vibration Ladeeinheiten Packstücke Produkte Feuer Sand / Staub Diebstahl Mikroorganismen Mechanische Belastungen Sonstige Einflüsse Abb. 2: Überblick Transportbelastungen /5/ Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 3

11 Kapitel 2 - Grundlagen Die Thematik dieses Forschungsvorhabens fokussiert sich ausschließlich auf die spezielle Transportbelastung: Transportschwingungen beim Versand per LKW im Straßengüterverkehr. Die relevanten Normen sind z. T. lückenhaft und zudem sind die Auswirkungen dieser Art der Transportbelastungen beim LKW-Transport am stärksten. Mehrere Studien haben z. B. bestätigt, dass Transportschwingungen im Luftverkehr keine signifikante Rolle einnehmen (N6, N7). Durch die so genannte Schwingungsprüfung mit rauschförmiger Anregung wird diese Transportbelastung simuliert. Dieses Prüfverfahren gilt gemäß DIN EN ISO (2003) als ist die realistischste Art, um die bei einem Transport auftretenden Schwingungen zu reproduzieren. Als Prüfgerät werden Schwingprüfeinrichtungen eingesetzt, die es in unterschiedlichen Baugrößen gibt. Dies ermöglicht neben der Prüfung von kleinen Paketen auch die Prüfung größerer Packstücke und ganzer Ladeeinheiten (Abb. 3). Abb. 3: Schwingprüfeinrichtung zur Prüfung von Paketen und Ladeeinheiten Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 4

12 Kapitel 2 - Grundlagen Die Arbeitsweise des elektrodynamischen Schwingerregers ist vergleichbar mit der eines Lautsprechers. Die Kraft zur vertikalen Beschleunigung des Schwingtisches ist dem Spulenstrom, der magnetischen Flussdichte und der Länge des Leiters im magnetischen Feld proportional. Der Schwingtisch besteht aus einem Rippenkörper und der umwickelten Tauchspule. Über die eingeleitete elektrische Stromstärke lässt sich der Pegel des Schwingerregers steuern. Bei großen Modellen wird das Magnetfeld mit Hilfe von Elektromagneten erzeugt. Die maximale Beschleunigung ist von der Stromstärke, der zu bewegenden Gesamtmasse und dem Maximalhub des Schwingerregers abhängig. Eine Schwingprüfsystem besteht prinzipiell aus Signalgenerator, Leistungsverstärker, Schwingerreger, Beschleunigungsaufnehmer und einem Rückführverstärker. Die Lagerung des Schwingerregers erfolgt gedämpft, um die Einleitung von Umgebungsschwingungen über den Lagerbock auf den Erreger zu vermeiden, falls eine starre Befestigung am Boden vorgesehen ist /4/. Abb. 4: Schematischer Aufbau: Regelkreises einer elektro-dynamischen Schwingprüfanlage mit digitalem Schwingregelsystem /4/ Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 5

13 Kapitel 2 - Grundlagen Die Schwingungsprüfung mit rauschförmiger Anregung wird in der Regel zeitgerafft durchgeführt. Die Zeitraffung bedeutet, dass die Prüfung schneller durchgeführt wird, als der Lkw in der Praxis fährt. Die Zeitraffung wird dadurch erzielt, dass bei der Prüfung höhere Schwingungsbelastungen eingeleitet werden, als die tatsächlichen Belastungen beim realen Transport. Sie bietet den Vorteil des Einsparens von Prüfzeit und damit Prüfkosten. Eine zu starke Zeitraffung kann bei der Prüfung jedoch Schäden erzeugen, die beim realen Transport nicht eintreten. In der überwiegenden Zahl der Normen fehlen Vorgaben über die Prüfdauer und die damit simulierte Transportentfernung. 2.3 Genormte Verfahren Belastungsintensität und Prüfdauer Für die Durchführung der Prüfungen existieren national und international genormte Prüfverfahren. Neben der DIN EN ISO (2003) beschreiben auch die ASTM D4169 (2008), diverse Standards der International Safe Transit Association (ISTA) (2009) und der MIL-STD 810G (2008) die Durchführung dieser Vibrationsprüfung. Diese Normen geben den Parameter Belastungsintensität vor, mit welcher die Vibrationsprüfung mit rauschförmiger Anregung durchzuführen ist. Die Belastungsintensitäten sind jedoch in jeder Norm unterschiedlich groß, obwohl sie auf Messdaten basieren, die auf westeuropäischen bzw. den US-amerikanischen Autobahnen ermittelt wurden und daher zumindest annähernd gleich sein sollten. Die Belastungsintensität der Schwingungsprüfung mit rauschförmiger Anregung wird mittels eines so genannten PSD - Diagramms (PSD Power Spectral Density, deutsch Spektrale Leistungsdichte) charakterisiert und in der Einheit g 2 /Hz angegeben. In diesem Diagramm ist die Spektrale Leistungsdichte als Funktion der Frequenz in Hz aufgetragen. Man bezeichnet das PSD - Diagramm daher auch als Prüfspektrum. Der einfachen Verständlichkeit halber kann man sich unter der Spektralen Leistungsdichte die mittlere Belastungsintensität bei einer bestimmten Frequenz vorstellen (Abb. 5) /8/. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 6

14 Kapitel 2 - Grundlagen Abb. 5: PSD Diagramm nach ISTA 3E / 0,54 grms (li.) und ISTA 1C-1,15 grms (re.) Mittels mathematischer Berechnungen lässt sich über alle Frequenzen eines Prüfspektrums der so genannte Effektivwert der Beschleunigung bestimmen. Er wird in der Einheit g rms angegeben, wobei g für Beschleunigung steht und rms für root mean square (dt. Effektivwert). Der Effektivwert der Beschleunigung wird als repräsentative Größe für ein Prüfspektrum angesehen (Tabelle 1). Der zweite wichtige Parameter ist die Prüfdauer. Über die Prüfdauer enthalten alle Normen ebenfalls Vorgaben, die sich aber deutlich voneinander unterscheiden. Unterschiede bezüglich der Prüfdauer sind generell damit zu erklären, dass sich die Belastungsintensitäten ebenfalls unterscheiden. Da Vibrationsprüfungen mit rauschförmiger Anregung bei der Nutzung dieser Normen zeitgerafft durchgeführt werden, ist es für die Auswahl der Prüfdauer notwendig zu wissen, welche Prüfdauer welche Transportstrecke in der Praxis simuliert. Konkrete Vorgaben über den Zusammenhang der Prüfdauer und der Transportstrecke in der Praxis geben nur der MIL-STD 810G sowie ISTA 3B, 3E + 3H (Tabelle 1). Tabelle 1: Normen und Standards mit Angabe der Prüfdauer / Transportentfernung Norm / Standard Prüfspektrum Prüfbelastung Prüfdauer vs. Transportstrecke ISTA 3B Project (Palette) Steel Spring Truck 0,54 grms 1 h Prüfdauer pro 480 km (max. 240 min. Prüfdauer) ISTA 3E Steel Spring Truck 0,54 grms 1 h Prüfdauer pro 480 km (max. 240 min. Prüfdauer) ISTA 3H Steel Spring Truck 0,54 grms 1 h Prüfdauer pro 480 km (max. 240 min. Prüfdauer) MIL-STD 810G - 1,08 grms 1h pro 1609 km Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 7

15 Kapitel 2 - Grundlagen 2.4 Problematik der Prüfdauer bei rauschförmigen Schwingungen Wie die vorangegangene Erläuterung des PSD Diagramms gezeigt hat, ist die Zeit als physikalische Größe in diesem Diagramm nicht berücksichtigt. PSD Diagramme werden aus Messungen der Beschleunigung auf den Ladeflächen verschiedener Transportmittel abgeleitet. Bei solchen Messungen werden mittels mobilen Aufzeichnungsgeräten die Beschleunigungen auf der Ladefläche im Verlauf des Transports, d.h. über die Zeit, aufgezeichnet. Die erfassten Daten können in einem Beschleunigungs-Zeit-Diagramm dargestellt werden. Einen typischen Kurvenverlauf zeigt Abb. 6 (links). Der unregelmäßige Kurvenverlauf ist auf die Überlagerung von Schwingungen zurückzuführen, die von einer Vielzahl unterschiedlichen Ursachen ausgehen, z. B. Fahrbahnunebenheiten, die Federung des Transportmittels und rotierende Antriebsteile. Schwingungsbelastungen beim Transport treten in Form von Beschleunigungskräften auf der Ladefläche oder im Frachtraum auf. Sie wirken hauptsächlich in vertikaler Richtung. Für Laborprüfungen wird aus diesem Beschleunigungs-Zeit-Signal durch die Fourier- Transformation das PSD Diagramm erzeugt. Dazu wird das Beschleunigungs-Zeit- Signal hinsichtlich aller gemessenen Frequenzen und zugehörigen Beschleunigungsamplituden analysiert. Diese Informationen enthält das PSD Diagramm losgelöst von einem zeitlichen Verlauf. FFT Abb. 6: Erzeugen des PSD (re.) aus einem Beschleunigungs-Zeit-Signal (li.) durch Fourier-Transformation Das PSD Diagramm stellt damit einen Rahmen für die Laborprüfung dar. Alle bei der Prüfung erzeugten Schwingungen liegen innerhalb dieses Rahmens, d. h. der definierte Frequenzbereich und die maximalen Amplituden bei jeder Frequenz werden nicht überschritten. Die Schwingungen werden unter Berücksichtigung des Rah- Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 8

16 Kapitel 3 - Durchführung mens zufällig erzeugt (engl. random vibration = deutsch rauschförmige Schwingungen). Die Transformation aus dem Beschleunigungs-Zeit-Bereich in den Beschleunigungs- Frequenzbereich hat das Problem festzulegenden Prüfdauer zur Folge. Warum man diese Transformation dennoch vornimmt und nicht einfach das gemessene Beschleunigungs-Zeit-Singal im Labor nachbildet, lässt sich folgendermaßen begründen. Man würde stets exakt denselben Transport simulieren und folglich für jede Transportstrecke auf der Welt ein eigenes Signal benötigen. Auch die Prüfung der Eignung der Verpackung wäre auf diese eine Transportstrecke beschränkt. Das Erfassen all dieser Daten ist zudem aufgrund des riesigen Umfangs nicht möglich und der Versender weiß in vielen Fällen ohnehin nicht exakt, auf welcher Strecke sein Produkt transportiert wird. Aus diesem Grund wird ein PSD Diagramm nicht nur auf Basis eines Beschleunigungs-Zeit-Signals berechnet, sondern auf Basis vieler Messungen, die in einem PSD Diagramm zusammengeführt werden. Dies berücksichtigt eine Vielzahl von Transportstrecken und unterschiedliche Transportmittel. 3 Durchführung Um für ein Prüfspektrum die Relation zwischen der Prüfzeit und der simulierten Transportentfernung zu ermitteln, sind vergleichende Laborprüfungen notwendig. Die Basis stellt ein Referenzprüfspektrum dar, für welches das Verhältnis von Prüfdauer und tatsächlicher Transportentfernung bereits bekannt ist. Die Eignung des Referenzprüfspektrums zur Simulation von Transportschwingungen muss gegeben sein. D.h. eine Prüfung unter Nutzung des Referenzprüfspektrums muss an den Prüfmustern nahezu dieselben Auswirkungen (Schäden) generieren, wie ein realer Transport in der Praxis. Diese Anforderung erfüllt nachweislich ein Referenzspektrum, das im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Forschungsvorhabens Source Reduction by European Testing Schedules (SRETS) erarbeitet und validiert wurde. Dieses Referenzprüfspektrum ist nicht zeitgerafft und simuliert eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 70 km/h /9/. Für das Prüfspektrum existieren drei Intensitätspegel, die unterschiedliche Straßenqualitäten repräsentieren, Tabelle 2. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 9

17 Kapitel 3 - Durchführung Tabelle 2: Referenzprüfspektrum SRETS Straßenkategorie SRETS Pegel SRETS Pegel 1 0,181 grms SRETS Pegel 2 0,253 grms SRETS Pegel 3 0,415 grms Beschreibung sehr gute Straßenbedingungen, wie z.b. eine neue Autobahn für Transporte innerhalb von West-Europa schlechte Straßenbedingungen, wie z.b. Umgehungsstraßen oder Straßen der Kategorie 1 mit Reparaturbedarf für Transporte von/aus Ost-Europa sehr schlechte Straßenkategorien Transporte von/aus Ost-Europa mit dem größeren Anteil in Ost-Europa Durch Laborprüfungen mit dem Referenzprüfspektrum werden zunächst an unterschiedlichen Prüfmustern Schäden generiert, die sich über die Prüfdauer einer Transportentfernung zuordnen lassen. Im Anschluss werden jeweils neue Exemplare der gleichen Prüfmuster unter Nutzung der zu erforschenden Normprüfspektren geprüft. Bei diesen Prüfungen sollen jeweils die gleichen Veränderungen / Schadensbilder wie mit dem Referenzprüfspektrum erzeugt werden. Aus der dazu benötigten Prüfdauer kann der Zusammenhang zwischen Prüfdauer und der simulierten Transportentfernung für die Normprüfspektren, wie später in Abschnitt 4.1 beschrieben, berechnet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Belastungsintensitäten der einzelnen Prüfspektren ist zu erwarten, dass ein identisches Schadensbild an einem Prüfmuster bei den unterschiedlichen Prüfspektren nach unterschiedlichen Prüfzeiten auftritt. Es wird vorausgesetzt, dass trotz der unterschiedlichen Prüfzeiten bei gleichem Schadensausmaß an allen gleichartigen Prüfmustern in der Summe die gleiche Belastung gewirkt haben muss. Hier ist die Brücke zur Entfernung während eines realen Transportes zu schlagen. Die Transportentfernung muss bei identischem Schadensausmaß ebenfalls identisch sein. Mit Hilfe des Referenzprüfspektrums kann die Transportentfernung zu einem Schadensbild zugeordnet werden. Zur Veranschaulichung des Sachverhaltes zeigt Tabelle 3 beispielhaft mögliche Ergebnisse der beschriebenen Vorgehensweise. Die Werte sind frei gewählt. Verglichen werden das Referenzprüfspektrum SRETS mit den drei Prüfspektren der Normen A, B und C. Die Belastungsintensitäten aller Spektren sind unterschiedlich und Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 10

18 Kapitel 3 - Durchführung symbolisch den Werten I IV zugeordnet. Dasselbe Schadensbild 1 ist bei den vier Prüfungen nach unterschiedlichen Prüfdauern aufgetreten. Da die simulierte Transportgeschwindigkeit von 70 km/h für das Referenzspektrum bekannt ist, lässt sich die Transportentfernung von 210 km berechnen. Basierend auf dieser Transportentfernung und den jeweiligen Prüfdauern der Normen A, B und C bis zur Schadensentstehung kann die simulierte Transportgeschwindigkeit für diese drei Normen berechnet werden. Die Relation zwischen der Prüfzeit und der simulierten Transportentfernung ist damit für jede Norm bekannt. Tabelle 3: Mögliche Ergebnisse vergleichender Untersuchungen (Beispiel) Prüfspektrum Schadensbild Prüfbelastung Prüfdauer Transportstrecke Simulierte Transportgeschwindigkeit v sim Referenzprüfspektrum SRETS Prüfspektrum Norm A Prüfspektrum Norm B Prüfspektrum Norm C 1 I 180 min. 210 km 70 km/h 1 II 90 min. 210 km 140 km/h 1 III 60 min. 210 km 210 km/h 1 IV 30 min. 210 km 420 km/h Zusammengefasst sind nachfolgende Arbeitsschritte erforderlich. 1. Auswahl geeigneter Prüfmuster 2. Erzeugen von quantifizierbaren Veränderungen an den Prüfmustern mit dem Referenzprüfspektren (3 verschiedene Belastungspegel) 3. Reproduzieren dieser quantifizierbaren Veränderungen mittels der zu vergleichenden Prüfspektren aus den Normen 4. Berechnung der simulierten Transportentfernung der zu vergleichenden Prüfspektren aus den Normen Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 11

19 Kapitel 4 - Ergebnisse 4 Ergebnisse 4.1 Auswahl geeigneter Prüfmuster In Vorversuchen wurden zunächst geeignete Prüfmuster gesucht. Wichtig für die Eignung als Prüfmuster war neben technischen Randbedingungen der vorhandenen Prüftechnik, die Eigenschaft, dass durch einwirkende Vibrationen messbare Veränderungen am Prüfmuster erzeugt werden und dass mehrere Prüfmuster gleichzeitig geprüft werden können, um eine hinreichende Anzahl von Messwerten zu erhalten. Auf Basis dieser Randbedingungen wurden nachfolgend in Tabelle 4 genannte Prüfmuster in Betracht gezogen. Die erläuterten zu erwartenden Veränderungen an den Prüfmustern infolge von Vibrationen waren in der Vergangenheit teilweise bei Laborprüfungen der Forschungsstelle beobachtet worden. Es wurden Glühlampen Brausetabletten in Kunststoffröhrchen, Getränkegranulat in einem Kunststoffbehälter, Sand in einer Siebvorrichtung, Kunststoff-Kugeln mit glänzender Oberfläche in einem Kunststoffbehälter sowie auf vertikal stehenden Gewindestangen applizierte Muttern untersucht. Die erwarteten Veränderungen an den Prüfmustern unter Einfluss von Vibrationen sowie eine mögliche Messgröße zur Beschreibung der Veränderung sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4: Übersicht Prüfmusterauswahl für Vorversuche und Ergebnisse Prüfmuster 1 Glühlampen Brausetabletten verpackt in Kunststoffröhrchen Getränkegranulat in einem Kunststoffbehälter Sand in einer Siebvorrichtung Kunststoff-Kugeln mit glänzender Oberfläche in einem Kunststoffbehälter Auf vertikal stehenden Gewindestangen applizierte Muttern Erwartete Veränderungen durch Vibrationen Zerreißen des Glühfadens Zerbröseln durch Aneinanderstoßen Zerbröseln durch Aneinanderstoßen Durchfallen des Sands in einen Auffangbehälter Ausbildung von Scheuerstellen Senkrechte Bewegung der Muttern auf entlang der Gewindestangen Messgröße der Veränderung Zeit bis zum Reißen des Glühfadens Zeitlich veränderliche Menge des Abriebs Zeitlich veränderliche Menge des Abriebs Zeitlich veränderliche Menge des durchgesiebten Sands Zeitlich veränderliche Größe und Anzahl der Scheuerstellen auf den Kugeloberflächen Zurückgelegte Weg je Zeiteinheit * nach 12 h Vibrationsprüfung mit Pegel 1, 2, und 3 des Referenzprüfspektrums Ergebnis des Vorversuches Kein Riss des Glühfadens* Keine Bildung von Abrieb* Keine Bildung von Abrieb* Sand fiel durch Siebvorrichtung Keine sichtbaren Scheuerstellen Bewegung der Muttern trat ein Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 12

20 Kapitel 4 - Ergebnisse Im Rahmen der Vorversuche wurde alle Prüfmuster den Belastungen des Referenzprüfspektrums SRETS ausgesetzt, um zu ermitteln, ob an den Prüfmustern überhaupt Veränderungen auftreten und ob diese messbar sind. Begonnen wurde jeweils mit dem niedrigsten Pegel 1 (gute Straßen). Wenn bei diesem Pegel keine Veränderungen an den Prüfmustern auftraten, wurde der nächst stärkere Pegel 2 gewählt (schlechte Straßen) bzw. im Anschluss daran der höchste Pegel 3 (sehr schlechte Straßen). Die Prüfung erfolgte je Pegel für max. 12 h. Bei den Glühlampen, den Brausetabletten, dem Getränkegranulat und den Kugeln traten unter den eingeleiteten Belastungen keinerlei Veränderungen auf, so dass sie nicht als Prüfmuster geeignet waren. Als am besten geeignet kristallierten sich die Muttern auf den Gewindestangen und die Siebvorrichtung mit dem Sand heraus, da im zeitlichen Verlauf der Schwingungseinwirkung die Muttern auf den Gewindestangen kontinuierlich nach unten rutschten bzw. die durchgesiebte Menge Sand zunahm. Die Ergebnisse der Vorversuche sind Tabelle 4 in aufgelistet. Aufgrund der beobachteten Ergebnisse wurden die Muttern auf den Gewindestangen und die Siebvorrichtung mit dem Sand als potentielles Prüfmuster zunächst weitergehend untersucht Abb. 7 und Abb. 8. Abb. 7: Prüfaufbau Gewindestangen Abb. 8: Prüfaufbau Sieben von Sand und Gewindestangen, Vorversuch Der Prüfaufbau mit dem Sieb entwickelte sich im weiteren Verlauf als nur bedingt geeignet, da der Sand bei den genormten Prüfspektren mit Zeitraffung und entsprechender Überhöhung der Belastung in nur wenigen Minuten die Siebfaktionen durchlief, während es mit dem Referenzspektrum mehrere Stunden dauerte. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 13

21 Kapitel 4 - Ergebnisse Dies hätte zu unrealistischen Werten für die simulierte Transportstrecke von mehreren Tausend Kilometern pro Stunde geführt. Darüber hinaus ergaben wiederholte Versuche mit dem Referenzspektrum sehr stark streuende Ergebnisse. Es wurde festgestellt, dass der Sand während der Prüfung mit dem Referenzspektrum z.t. verklumpte wahrscheinlich aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme aus der Raumluft, da die Schwingprüfanlage nicht in einem klimatisierten Labor betrieben werden kann. 4.2 Optimierung des Prüfaufbaus Muttern auf Gewindestangen Mit dem Prüfaufbau der Muttern auf den Gewindestangen wurden weiterführende Untersuchungen durchgeführt. Der Prüfaufbau war insofern zu optimieren, dass mit allen drei Pegeln des Referenzprüfspektrums Bewegungen der Muttern generiert werden können und dass ein geeigneter Abstand der Muttern auf einer Gewindestange festgelegt werden kann. Zunächst wurden Standard-Muttern verwendet. Bei diesen Muttern wurden allerdings nur Bewegungen bei Anregung mit Pegel 2 und 3 des SRETS Referenzspektrums registriert. Bei Pegel 1 verharrten die Muttern in ihrer Ausgangsposition. Als Alternative wurden anschließend flachere Muttern untersucht und es zeigten sich bei allen drei Pegeln Bewegungen der Muttern. Als Abbruchkriterium ist ein zu schnelles Aufeinandertreffen zweier Muttern auf derselben Gewindestange zu vermeiden, da ihre Beweglichkeit trotz einwirkender Vibrationen nicht mehr sichergestellt wäre. Für die Ermittlung eines geeigneten Abstands der Muttern wurden zunächst 3 bzw. 4 Muttern im Abstand von 50 mm auf je eine Gewindestange (Länge 500 mm) appliziert, Abb. 9. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 14

22 Kapitel 4 - Ergebnisse 100 mm 50 mm Abb. 9: Prüfaufbau Mutternabstand 50 mm Abb. 10: Prüfaufbau 100 mm Mit dem intensivsten Pegel (SRETS Pegel 3) wurde das Abbruchkriterium nach 20 min erreicht. Mit einer geringeren Leistungsdichte (SRETS Pegel 2) wurde es nach 40 min erreicht. Im Versuch mit der geringsten Leistungsdichte (SRETS Pegel 1) wurde das Abbruchkriterium nach 120 min. noch nicht erreicht und die Versuchsdurchführung beendet. Um bei SRETS Pegel 2 und 3 eine längere Prüfdauer zu ermöglichen, wurde festgelegt die Abstände der Muttern bei dem Prüfaufbau auf 100 mm zu verdoppeln, Abb. 10. Die Prüfungen wurden nun wiederholt, wobei der Abstand der Muttern 100 mm betrug. Es wurde eine längere Gewindestange (1000 mm) eingesetzt, um im Hinblick auf eine möglichst hohe Anzahl von Messwerten die Anzahl der Muttern je Gewindestange zu erhöhen. Neben den drei SRETS Pegeln wurden nun auch die Prüfspektren aus MIL STD 810 G sowie ASTM D4169 (Assurance Level 1) verwendet. Bei keinem der fünf Prüfspektren kam es nach 60 min. Prüfdauer zu einem Aufeinandertreffen der Muttern. Im nächsten Schritt sollte der Einfluss der Position der Gewindestange auf der Schwingprüfanlage untersucht werden. Auf der quadratischen Plattform der Schwing- Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 15

23 Kapitel 4 - Ergebnisse prüfanlage können 32 Gewindestangen eingeschraubt werden. Im Rahmen der Optimierung des Prüfaufbaus wurden fünf Gewindestangen verteilt von der Plattformmitte bis zu den Rändern / Ecken befestigt und die vorgenannten Prüfungen erneut für 60 min. durchgeführt. Hierbei zeigten sich bei den verschiedenen Gewindestangen deutliche Unterschiede des zurückgelegten Weges der Muttern und zum anderen trafen bei dem Prüfspektrum aus MIL STD 810 G Muttern aufeinander. Als Schlussfolgerungen daraus wurde der Mutternabstand von 100 mm auf 200 mm erhöht, was eine Reduzierung der Anzahl der Muttern je Gewindestange von 9 auf 4 zur Folge hatte. Um die Streuungen der Messwerte bzgl. der Lage auf der Plattform der Schwingprüfanlage zur berücksichtigen wurde festgelegt, alle 32 Befestigungspunkte mit Gewindestangen zu bestücken. 4.3 Generieren von Referenzpunkten Prüfeinrichtung und Prüfaufbau Für die Untersuchungen wurde eine elektro-dynamische Schwingprüfanlage vom Typ RMS SW 3509-TGD 6000 verwendet Abb. 11. Abb. 11: Schwingprüfanlage RMS SW 3509-TGD 6000 Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 16

24 Kapitel 4 - Ergebnisse Die Schwingprüfanlage ist nachfolgend spezifiziert: vertikale Prüfachse Frequenzbereich: Hz Schwingweg: max. +/-14 mm Beschleunigung: max. 80 g Kraftvektor (Sinus/Rauschen): 7,5 kn / 6,8 kn Prüfstückmasse: max. 100 kg Tischgröße: 52 x 52 cm Gewindeeinsätze: M 8 Lochraster: 75 x 75 mm Der in Abschnitt 4.2 optimierte Prüfaufbau wurde für die nachfolgend im Abschnitt dargelegten Hauptuntersuchungen verwendet und ist wie folgt spezifiziert: 32 Gewindestangen aus Werkzeugstahl, Länge: 1000 mm 4 Flachmuttern pro Gewindestange (128 Flachmuttern aus Edelstahl) Abstand der Flachmuttern: 200 mm Präzisionshöhenanreißer nach DIN 862 zum Messen der zurückgelegten Wege der Flachmuttern, Abb. 12 Im Folgenden ist der Prüfaufbau abgebildet, Abb. 13. Es sind die Muttern in 4 Ebenen in einer Höhe von 200, 400, 600 und 800 mm über der Plattform dargestellt. Zu Beginn jedes Versuches werden die Muttern entsprechend manuell in ihre Ausgangsposition gebracht und am Ende des Versuches wird die Endposition jeder Muttern einzeln gemessen. Aus der Differenz ergibt sich der zurückgelegte Weg jeder einzelnen Mutter. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 17

25 Kapitel 4 - Ergebnisse Abb. 12: Präzisionshöhenanreißer nach DIN 862 Abb. 13: Prüfaufbau Hauptversuche Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 18

26 Kapitel 4 - Ergebnisse Untersuche Vibrationsspektren Neben den drei Intensitätspegeln des Referenzprüfspektrums SRETS wurden die in der Praxis typischerweise eingesetzten Prüfspektren untersucht, Tabelle 5. Tabelle 5: Untersuchte Prüfspektren Norm / Standard Prüfspektrum Prüfbelastung Prüfdauer vs. Transportstrecke SRETS Pegel 1 0,181 grms 70 km/h auf guten Straßen SRETS Pegel 2 0,253 grms SRETS Pegel 3 0,415 grms 70 km/h auf schlechten Straßen 70 km/h auf sehr schlechten Straßen ASTM D4169, Truck, Assurance Level 1 0,730 grms ASTM D4169, Truck, Assurance Level 2 0,520 grms Minimal 30 min. bis max. 6h, ohne Angabe eins Bezugs zur Transportentfernung ASTM D4169, Truck, Assurance Level 3 0,370 grms ISTA 3E Steel Spring Truck 0,540 grms 1 h Prüfdauer pro 480 km (max. 240 min. Prüfdauer) MIL-STD 810G - 1,08 grms 1h pro 1609 km DIN EN ISO ,590 grms keine Angabe In den nachfolgenden Diagrammen sind die Kurvenverläufe der einzelnen Prüfspektren dargestellt, Abb. 14 bis Abb. 16. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 19

27 g²/hz g²/hz Kapitel 4 - Ergebnisse 0, , , , , , Hz 100 SRETS Pegel 1 SRETS Pegel 2 SRETS Pegel 3 Abb. 14: Prüfkurven SRETS Pegel 1, 2, und 3. /7/ 0, , , , , , Hz 100 ASTM D 4169, Ass. Lv. I, Truck ASTM D 4169, Ass. Lv. II, Truck Abb. 15: Prüfkurven ASTM D4169 Assurance Level 1, 2, 3 /10/ Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 20

28 g²/hz Kapitel 4 - Ergebnisse 0, , , , , , Hz 100 DIN EN ISO ISTA 3E MIL-STD810G Abb. 16: Prüfkurven DIN EN ISO /11/, ISTA 3E /12/, MIL-STD 810G /13/ Ermittelte Referenzpunkte Das im Abschnitt 3 beschriebene grundsätzliche Vorgehen zum Generieren von Referenzpunkten in Form von Schadensbildern als Grundlage für einen Vergleich der Prüfspektren und die Ermittlung der simulierten Transportentfernung wurde für diesen Prüfaufbau folgendermaßen umgesetzt. Das Generieren eines konkreten Referenzpunktes in Form des mittleren zurückgelegten Weges der Muttern auf den Gewindestangen mit allen zu untersuchenden Prüfspektren sowie den drei Pegeln des Referenzprüfspektrums stellte sich als nicht praktikabel heraus. Die hätte eine permanente Messung aller zurückgelegten Wege erfordert. Anstelle dieses Vorgehens wurde der umgekehrte Ansatz gewählt und die Prüfzeit vorgegeben, nach der die zurückgelegten Wege der Muttern zu messen waren, um diese anschließend in ein Verhältnis zu setzen. Als Referenzzeitpunkt wurde eine Prüfzeit von 60 min. festgelegt. Um später die simulierte Transportentfernung in Abhängigkeit der Prüfzeit berechnen zu können, wurden ausgewählte Prüfspektren hinsichtlich des linearen Zusammenhangs zwischen Prüfdauer und Weg der Muttern untersucht (s. Abschnitt 4.5.) Jeder Versuch wurde mit jedem Prüfspektrum viermal wiederholt, so dass für die Auswertung für jedes Prüfspektrum 512 Messwerte vorlagen. In Tabelle 6 und Tabel- Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 21

29 Kapitel 4 - Ergebnisse le 7 sind die Mittelwerte getrennt nach den einzelnen Ebenen der Muttern über alle vier Wiederholungen dargestellt. Bei dem Prüfspektrum nach MIL-STD 810 G wurden die Prüfungen nur 15 min. durchgeführt, da sich die Muttern extrem schnell bewegten. Für den Vergleich wurden die Werte auf 60 min. hochgerechnet. Die Werte spiegeln die sehr hohe Intensität dieses Spektrums wider. Die sich mit diesen Werten entsprechend ergebenden simulierten Transportentfernungen erscheinen unrealistisch, weshalb eine weitere Betrachtung dieses Prüfspektrums nicht erfolgte. Es ist anzumerken, dass dieses Prüfspektrum dem US Militär entstammt und entsprechend große Sicherheiten für militärische Anwendungen vorhält. Der Vergleich zu zivilen Anwendungen resp. den normalen Straßentransportes wird deshalb nicht als sinnvoll erachtet. Tabelle 6: Zurückgelegte Wege der Muttern mit dem Referenzprüfspektrum in mm Ebene der Muttern auf der Gewindestange SRETS Pegel 1 SRETS Pegel 2 SRETS Pegel 3 1 0,62 2,85 7,42 2 1,40 5,39 23,76 3 1,13 4,85 18,61 4 0,67 3,50 6,97 Tabelle 7: Zurückgelegte Wege der Muttern mit den Normprüfspektren in mm ASTM Lv 1 ASTM Lv 2 ASTM Lv 3 ISTA 3E Ebene der Muttern auf der Gewindestange MIL- STD 810 G DIN EN ISO ,3 31,3 3,5 48,8 598,3 64, ,1 67,8 18,5 94,8 391,4 102, ,9 64,2 11,8 85,4 244,4 114, ,1 22,8 2,0 35,3 580,2 56,1 Die ermittelten Werte zeigen, dass in den beiden mittleren Ebenen (2 und 3) deutlich größere Wege zurückgelegt werden, als in der untersten und der obersten Ebene (1 und 4). Dies spiegelt das Verhalten verschiedener Produkt-Verpackungssysteme in der Praxis wider. Auch diese reagieren auf gleiche Belastungen unterschiedlich, weshalb bei einigen Produkten Schäden entstehen und bei anderen nicht. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 22

30 Kapitel 4 - Ergebnisse 4.4 Berechnung der simulierten Transportentfernung Für das Referenzprüfspektrum SRETS ist bekannt, dass es in einer Stunde Prüfdauer 70 km Transportstrecke simuliert, wobei jeder der drei Pegel eine unterschiedliche Straßenqualität repräsentiert. Bei den zu vergleichenden Normprüfspektren wurden während mit der Prüfdauer von ebenfalls 60 min. deutlich größere zurückgelegte Wege gemessen. D.h. es müssen deutlich längere Transportstrecken simuliert worden sein. Die simulierte Transportstrecke entspricht damit dem Verhältnis der mit den Normprüfspektren gemessenen Wege zu den Referenzprüfspektren, jeweils mit dem Bezug zu einer bestimmten Straßenqualität, ausgedrückt durch die Intensitätspegel bei SRETS. Die bei SRETS Pegel 1 gemessenen Werte sind als absolute Werte sehr gering und gleichzeitig auch im Verhältnis zu den Werten der Normprüfspektren als sehr gering zu bewerten Tabelle 6. Es ist davon auszugehen, dass die Normprüfspektren bezogen auf SRETS Pegel 1 zu stark überhöht sind, als dass sie sich zur Simulation von sehr guten Straßenverhältnissen (SRETS Pegel 1) eignen. Aus diesem Grund wurden nur die Verhältnisse mit Bezug zu SRETS Pegel 2 und 3 berechnet, Tabelle 8 und Tabelle 9. Tabelle 8: Verhältnis Normprüfspektren bezogen auf SRETS Pegel 2 ASTM Lv 1 ASTM Lv 2 ASTM Lv 3 ISTA 3E DIN EN ISO ,6 11,0 1,2 17,1 22,6 2 24,5 12,6 3,4 17,6 19,0 3 24,3 13,2 2,4 17,6 23,6 4 32,0 6,5 0,6 10,1 16,0 Mittelwert 30,9 10,8 1,9 15,6 20,3 Ebene der Muttern auf der Gewindestange Standardabweichung 8,6 3,0 1,3 3,7 3,5 Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 23

31 Kapitel 4 - Ergebnisse Tabelle 9: Verhältnis Normprüfspektren bezogen auf SRETS Pegel 3 ASTM Lv 1 ASTM Lv 2 ASTM Lv 3 ISTA 3E DIN EN ISO ,3 4,2 0,5 6,6 8,7 2 5,6 2,9 0,8 4,0 4,3 3 6,3 3,5 0,6 4,6 6,2 4 16,1 3,3 0,3 5,1 8,0 Mittelwert 11,1 3,4 0,5 5,1 6,8 Ebene der Muttern auf der Gewindestange Standardabweichung 5,9 0,6 0,2 1,1 2,0 Durch Multiplikation der in Tabelle 8 und Tabelle 9 dargestellten Verhältnisse mit der simulierten Transportentfernung bei SRETS in Höhe von 70 km/h lässt sich aus den Mittelwerten nun berechnen, welche Transportentfernung mit den Normprüfspektren simuliert einer Stunde wurde, Tabelle 10. Tabelle 10: Simulierte Transportentfernung nach 60 min. in km Referenzprüfspektrum ASTM Lv 1 ASTM Lv 2 ASTM Lv 3 ISTA 3E DIN EN ISO SRETS Pegel SRETS Pegel Die Werte aus Tabelle 10 drücken gleichzeitig die Geschwindigkeit im km/h aus, die simuliert wurde. Damit wird deutlich, dass es nicht sinnvoll ist jede theoretisch mögliche Verbindung der Normprüfspektren zu den zwei Pegeln des Referenzspektrums herzustellen. Extrem hohe Werte über 1000 km/h bedeuten gleichermaßen, eine stark überhöhte Belastung, durch welche die Zeitraffung erzielt wird. An dieser Stelle besteht die Gefahr, dass bei den Prüfungen ggf. Schäden erzeugt werden, die bei realen Transporten so nicht auftreten würden. Liegt die ermittelte simulierte Geschwindigkeit unterhalb der 70 km/h des Referenzprüfspektrums, ist die Verwendung ebenfalls nicht sinnvoll, vgl. ASTM Lv 3 und SRETS Pegel 2. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 24

32 Kapitel 4 - Ergebnisse Zu weiteren Bewertung eignet sich eine Normierung der Werte in die Prüfdauer zur Simulation von 1000 km Straßentransport, wobei entsprechend der vorangegangenen Erläuterungen nur sinnvolle Kombinationen angegeben sind, Tabelle 11. Tabelle 11: Prüfdauer je 1000 km in min. Referenzprüfspektrum ASTM Lv 1 ASTM Lv 2 ASTM Lv 3 ISTA 3E DIN EN ISO SRETS Pegel SRETS Pegel Das Prüfspektrum ASTM D4169 Lv 3 wird aufgrund der geringen Intensität als ungeeignet für beide Pegel 2 und 3 erachtet und ist eher dem Pegel 1 (sehr gute Straßen zuzuordnen). Die Angabe einer Prüfdauer je 1000 km ist jedoch nicht möglich, da für SRETS Pegel 1 nur sehr geringe Absolutwerte gemessen wurden, Tabelle 6. Hier könnten Messfehler zu erheblichen Fehlern in den weiteren Berechnungen führen. Tabelle 12 stellt die Zuordnung der Prüfspektren zu den Straßenqualitäten noch einmal zusammenfassend dar. Tabelle 12: Zuordnung von Prüfspektren zur Straßenqualität. Straßenqualität Gut Schlecht Sehr schlecht Zeitgerafft Prüfspektrum Echtzeit ASTM D4169 Ass. LV. 1 ASTM D4169 Ass. LV. 2 ASTM D4169 Ass. LV. 3 DIN EN ISO ISTA 3E, 3B, 3H SRETS Pegel 1 SRETS Pegel 2 SRETS Pegel 3 x x x x x 4.5 Linearitätsnachweis Linearität ist die Eigenschaft eines Systems auf die Veränderung eines Parameters stets mit einer dazu proportionalen Änderung eines anderen Parameters zu reagieren. Da jede Vergleichsaussage auf der zeitlichen Linearität der jeweiligen Prüfspektren basiert, ist es sinnvoll diesen Nachweis zu erbringen. Gesicherte Aussagen über Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 25

33 Mittelwert Weg der Muttern in mm Kapitel 4 - Ergebnisse eine Verdopplung der Prüfdauer, welche eine Verdopplung der Transportstrecke simuliert, sind dann möglich. Es wurden vier Spektren untersucht und für jedes Prüfspektrum die zurückgelegten Wege der Muttern viermal, jeweils im Abstand von 60 resp. 45 Minuten Prüfdauer, gemessen und für jeden der vier Zeitpunkte der Mittelwert über alle 128 Muttern des Prüfaufbaus gebildet. Die Werte sind in den nachfolgenden Diagrammen dargestellt. Abb. 17 bis Abb. 20 und zeigen, dass von einem linearen Zusammenhang zwischen der Prüfdauer und den zurückgelegten Wegen der Muttern ausgegangen werden kann y = 11,492x + 1,1774 R² = 0, ,7 47, , , min 120 min 180 min 240 min Prüfdauer SRETS P3 - Linearitätsnachweis lin. Regr. Abb. 17: Linearitätsnachweis SRETS Pegel 3 Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 26

34 Mittelwert Weg der Muttern in mm Mittelwert Weg der Muttern in mm Kapitel 4 - Ergebnisse y = 3,6671x - 0,2761 R² = 0, , , , ,3 60 min 120 min 180 min 240 min Prüfdauer SRETS P2 - Linearitätsnachweis lin. Regr. Abb. 18: Linearitätsnachweis SRETS Pegel y = 40,247x - 1,7297 R² = 1 79,1 119,3 159, , min 120 min 180 min 240 min Prüfdauer ASTM Lv II - Linearitätsnachweis lin. Regr. Abb. 19: Linearitätsnachweis ASTM D4169, Lv. 2 Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 27

35 Mittelwert Weg der Muttern in mm Kapitel 4 - Ergebnisse y = 54,147x + 16,014 R² = 0, , ,8 170, , min 90 min 135 min 180 min Prüfdauer DIN EN ISO Linearitätsnachweis lin. Regr. Abb. 20: Linearitätsnachweis DIN EN ISO Zusätzlich wurde das Bestimmtheitsmaß linearen Regression errechnet. Für R²=1 lässt sich die Variable vollständig mit dem linearen Regressionsmodell erklären. Die Werte der Bestimmtheitsmaße R² der vier Spektren sind in einer Spanne von 0,9805 bis 1 zu finden und bestätigen den linearen Zusammenhang, Tabelle 13. Tabelle 13: Bestimmtheitsmaße R² der untersuchten Prüfspektren Norm / Standard Bestimmtheitsmaß R² SRETS Pegel 3 0,9991 SRETS Pegel 2 0,9982 ASTM D4169, Lv. 2 1,0000 DIN EN ISO ,9805 Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 28

36 Kapitel 4 - Ergebnisse 4.6 Validierung der Ergebnisse des Prüfaufbaus Die mit dem Prüfaufbau Gewindestangen ermittelten Verhältnisse zwischen der Prüfdauer und der simulierten Strecke wurden mit Hilfe von Vibrationsprüfungen an verpackten Aerosoldosen validiert. Zu diesem Zweck wurden mit den verschiedenen zeitgerafften Prüfspektren sowie zwei Echtzeitprüfspektren jeweils 1000 km Straßentransport an verpackten Aerosoldosen simuliert und die Auswirkungen (Schadensbilder) verglichen Abb. 21 und Abb. 22. Abb. 21: Prüfaufbau mit 3 Packstückstapeln Abb. 22: Prüfaufbau mit Stülpdeckel Als typische Schadensmerkmale an Aerosoldosen wurden Dellen, Scheuerstellen und Verdrehungen um die vertikale Achse identifiziert, Abb. 23 bis Abb. 25. Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 29

37 Kapitel 4 - Ergebnisse Abb. 23: Beispiel einer Scheuerstelle Abb. 24: Beispiel einer Delle Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 30

38 Kapitel 4 - Ergebnisse Abb. 25: Beispiel einer Scheuerstelle durch Verdrehen Es wurden die Gesamtanzahl der aufgetretenen Schadensmerkmale für jedes Prüfspektrum ermittelt und für den Vergleich die Anzahl der Schadensmerkmale bezogen auf eine Aerosoldose errechnet. Die Anzahl des Schadensmerkmals Dellen war sowohl innerhalb der Straßenkategorie schlechte Straßen, als auch sehr schlechte Straßen identisch. Die Schadensmerkmale Scheuerstellen und verdrehte Dosen liegen mit durchschnittlich einer Scheuerstelle bzw. einer verdrehten Dose sehr eng bei einander und damit in der gleichen Größenordnung, Tabelle 14. Die Validierung am praktischen Beispiel Aerosoldosen ist damit als erfolgreich zu bewerten. Tabelle 14: Mittlere Anzahl der Schäden je Dose Prüfspektrum SRETS Pegel 2 (Referenz) ASTM D4169 Ass. LV. 2 SRETS Pegel 3 (Referenz) ASTM D4169 Ass. LV. 1 DIN EN ISO Anzahl Dellen Anzahl Scheuerstellen Anzahl verdrehter Dosen 0,2 0,5 0,2 0,2 0,3 0,4 0,1 1,0 0,7 0,1 0,9 0,4 0,1 1,3 0,6 ISTA 3E 0,1 1,4 0,5 Bemerkung Schlechte Straßen Sehr schlechte Straßen Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 31

39 Kapitel 4 - Ergebnisse 4.7 Äquivalente Prüfdauer Die ermittelte simulierte Transportentfernung in einer Zeit von 60 min (s. Tabelle 10, S. 24) drückt gleichermaßen die simulierte Geschwindigkeit v sim, A einer Prüfnorm A aus. Damit besteht die Möglichkeit, eine äquivalente Prüfdauer von zwei zeitgerafften Normprüfspektren zu errechnen. Das heißt, welche Prüfdauer t prüf, A der Norm A und welche Prüfdauer t prüf, B der Norm B dieselbe Transportentfernung s real simulieren. Der Zusammenhang lässt sich in folgender Gleichung darstellen: s real sa t prüf, A vsim, A sb t prüf, B vsim, B In der Praxis kann somit überprüft werden, ob eine bereits durchgeführte Prüfung nach einer Norm A auch die geforderte Prüfdauer einer zweiten Norm B erfüllt. Wenn Beispielsweise in der Vergangenheit eine Prüfung gemäß DIN EN ISO mit einer Prüfdauer von 60 min. durchgeführt wurde, entspricht dies nach den ermittelten Ergebnissen (s. Tabelle 10, S. 24) für ISTA 3E einer Prüfdauer von ca. 80 min. Zusätzlicher Prüfaufwand kann damit entfallen. Das Herstellen dieser Verknüpfung zwischen zwei Prüfspektren ist praktisch nur sinnvoll, sofern diese wie in Tabelle 12 (S. 25) dargestellt, zur Simulation dergleichen Straßenqualität geeignet sind. Entsprechend ergeben sich die Umrechnungsfaktoren für die äquivalenten Prüfdauern gemäß Tabelle 15. Tabelle 15: Umrechnungsfaktoren - äquivalente Prüfdauern genormter Prüfspektren ASTM Lv 1 ISTA 3E DIN EN ISO ASTM Lv 1-2,18 1,63 ISTA 3E 0,46-0,75 DIN EN ISO ,61 1,34 - In der konkreten Anwendung sind die Werte aus Tabelle 15 wie folgt zu nutzen. Ein Kunde wünscht die Durchführung einer Prüfung nach ISTA 3E mit einer Prüfdauer von 2 h. Das Verpackungssystem wurde bereits für ein anderes Projekt 1 h nach Schlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr N 32