Vibrations- und Schockfestigkeit – Kriterien der Hardwarekomponenten für den mobilen Einsatz

In vielen Anwendungsbereichen der Automatisierungstechnik sowie der Robotisierung von mobilen Systemen, sind diverse Hardwarekomponenten widrigsten Bedingungen ausgesetzt. Dies können z.B. erhöhte Temperaturen, Wasser, Verschmutzung oder aber dauerhafte Vibrationen oder Stöße sein. Selbst unter diesen Extrembedingungen müssen die verbauten Komponenten einwandfrei funktionieren, um die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten. Um die Ausfallsicherheit bei solchen äußeren Bedingungen sicherzustellen, werden die Komponenten verschiedenen Prüfungen unterzogen. Deshalb wollen wir heute die sogenannten Vibrations- und Schockprüfungen etwas genauer betrachten.

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Amerikanische Firmen nutzen zur Überprüfung der Vibrations- und Schockfestigkeit in der Regel den sogenannten „Highly Accelerated Life Test“ (auch HALT-Verfahren genannt), um die Zuverlässigkeit von Produkten festzustellen und anschließend auch zu verbessern. Die Belastungsenergie der erzeugten Vibrationen wird hier mit der Einheit „Grms“ (Effektivwert der Beschleunigung) angegeben. In Europa gelten die IEC-Normen als bindendes Verfahren um eine Auskunft über die Lebensdauer und Belastbarkeit von Geräten zu geben. Der Hersteller gibt auf dem Datenblatt seiner geprüften Geräte dann an, ob sie die europäischen Normen erfüllen.

Bei einem mechanischen Schock handelt es sich um eine kurzzeitige, jedoch sehr starke Belastung. So stellt ein Autounfall beispielsweise ein solches Szenario dar. Das Auto wird „schockartig“ innerhalb einer sehr geringen Zeitspanne auf 0 km/h abgebremst, wodurch sich sehr hohe Beschleunigungskräfte ergeben. Ein weiteres Beispiel wäre der freie Fall einer Wassermelone von einem Dach. Beim Auftreffen auf dem Asphalt würde auch hier die Melone schlagartig auf 0 km/h abgebremst werden. Die Tests die eine Aussage über die Verträglichkeit solcher Schocks treffen, werden nach IEC-Norm 60068-2-27 durchgeführt.

Bei den Vibrationsprüfungen handelt es sich um weniger starke, jedoch dauerhafte Belastungen durch Vibrationen. Üblich sind diese Belastungen beispielsweise bei mobilen Arbeitsmaschinen, bei Kompressoren oder bei einem weniger sanften Transport. Die Vibrationstests erfolgen nach IEC-Norm 60068-2-64.

Hat ein Hersteller seine Produkte auf Vibrations- und Schockfestigkeit überprüft, so wird er dies auch auf dem jeweiligen Datenblatt aufführen. Hier kann dann abgelesen werden welcher maximalen Belastung (meist ein Vielfaches der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s²) das Gerät ausgesetzt worden ist. Die Vibrationen liegen hier meist zwischen 50 und 2000 Hz mit einer Beschleunigung von bis zu 20 g (Raketenstart). Rotierende Maschinen sind beispielsweise ca. 2 g ausgesetzt. Bei den Schockprüfungen kann dieser Wert für einige Millisekunden sogar mehrere Hundert g (Kraft pro Masse) übersteigen.
Natürlich gelten die Prüfungen erst dann als bestanden, sofern das überprüfte Gerät keine Funktionsschäden erlitten hat. Unsere Generic Control Box in der Ausführung „Ruggedized“ wurde diesen Prüfungen ebenfalls ausgesetzt und erfüllt die IEC-Normen.

Wie genau sieht so ein Test nach IEC-Normen überhaupt aus?

Beim Vibrationstest beispielsweise wird das zu testende Objekt bestimmten Beschleunigungen mit definierten Frequenzen ausgesetzt. Das Testobjekt fängt an zu vibrieren. Diese Belastung wird nun einige Minuten gehalten und danach eine höhere Frequenz eingespielt. Bestimmte Frequenzen können dabei bis zu mehreren Stunden gehalten werden. Die geprüfte Vibrationsfestigkeit gibt dann Auskunft darüber, bei welcher Beschleunigung und welchem definierten Frequenzbereich noch keine Funktionsschäden auftreten. Eine unbegrenzte Lebensdauer gilt, sobald der Prüfling 10⁷ Schwingspiele ohne Funktionsschäden überstanden hat.
Bei der mechanischen Schockprüfung, sind die aufgebrachten Belastungen sehr viel stärker. In der Regel werden die Prüfobjekte je drei Schocks in sechs Richtungen ausgesetzt. Auch hier gilt die Prüfung erst dann als bestanden, sofern keine Funktionsschäden auftreten.

Fazit

Um eine verbindliche Aussage über die Belastbarkeit der verkauften Geräte machen zu können, sind die hier beschriebenen Vibrations- und Schockprüfungen ideal und äußerst repräsentativ. Die durchgeführten Tests bezwecken eine künstlich durchgeführte Alterung der Geräte, um so Schwachstellen und Designfehler frühzeitig aufzudecken. Die Vorgaben der europäischen Norm werden ständig optimiert und erneuert, um so eine möglichst genaue Aussage über die Belastbarkeit der geprüften Geräte für den Verbraucher treffen zu können.

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