Volume 52, Issue 7-8

Kurzfassung Die meisten Bauteile und Strukturen sind während ihrer Einsatzzeit im Betrieb Belastungen mit variablen Amplituden ausgesetzt. Ihre sichere Bemessung, vor allem unter den Gesichtspunkten des Leichtbaus, erfordert grundlegende Kenntnisse bezüglich des Einflusses der Kollektivform, der Art der Belastungs-Zeit-Funktion, des Werkstoffverhaltens, der Schadensakkumulation, Eigenspannungen, Umgebung und Korrosion auf die Lebensdauer. Insbesondere bei der Anwendung von Verfahren zur Verkürzung von Versuchszeiten müssen Annahmen bezüglich der Interaktion vorstehend genannter Einflussgrößen abgesichert sein. Auch eine Substitution von Kollektiven durch eine Einstufenbelastung ist aufgrund der Komplexität des Schädigungsvorganges unter konstanten und variablen Amplituden und der unterschiedlichen Schadensmechanismen nicht immer möglich. Eine zutreffende Berücksichtigung des Einflusses von variablen Amplituden auf die Lebensdauer erfordert eine Implementierung sowohl von Erkenntnissen aus Laborversuchen als auch von Betriebserfahrungen in rechnerische Bemessungsverfahren.

Most components and structures are submitted to load-time histories with variable amplitudes during their service life. Their safe design, in the context of weight reduction requirements, demands detailed and deep knowledge about the effects of spectrum shape, blocked or random sequences, material response, cumulative damage, residual stresses, environment and corrosion during lifetime in interaction with the variable load amplitudes. Especially, their reliability must be assured by appropriate testing, when test time reduction procedures are applied. Also, the substitution of variable amplitude loading by constant amplitudes is not generally possible because of the aforementioned influencing parameters and changed damage mechanisms. The proper consideration of effects of spectrum loading on lifetime requires that experiences in laboratory testing and service behaviour should be implemented in numerical assessment procedures.

Kurzfassung Einer der Schwerpunkte bei der Auslegung von Pkw-Radlagereinheiten höherer Generation ist neben der Wälzermüdung der Kugellaufbahnen die Betriebsfestigkeit der integrierten Radnaben. Dazu werden eine effiziente Berechnungsmethode zur Beanspruchungsanalyse sowie das zugehörige Bewertungskonzept inklusive Validierung vorgestellt. Die Spannungsermittlung erfolgt über eine FE-Analyse der kompletten Radlagereinheit inklusive der unmittelbaren Umbauteile, wobei das nichtlineare Steifigkeitsverhalten der Wälzkörper realistisch abgebildet wird. Die Schwingfestigkeitsbewertung der unterschiedlichen Werkstoffzustände erfolgt in Anlehnung an die FKM-Richtlinie für den rechnerischen Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile. Diese Bewertung wurde über umfangreiche Versuchsergebnisse abgesichert.

Kurzfassung Der grundsätzlich negative Einfluss korrosiver Medien auf die Beanspruchbarkeit von ungeschützten Fahrwerksbauteilen ist bekannt. Der Beitrag beschäftigt sich mit Untersuchungen einer genaueren Quantifizierung der Korrosionsermüdung. Dabei wurde insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Einwirkdauer, -intensität sowie der Art der korrosiven Beaufschlagung untersucht. Des Weiteren wird ein Szenario bzgl. einer Reduzierung der Bauteilbelastung/-beanspruchung im Betrieb auf regennassen bzw. glatten Fahrbahnen vorgestellt.

Kurzfassung In modernen Fahrwerkssystemen sind, beispielsweise als Traggelenke, vielfach sphärische, vorgespannte Stahl-Polymergleitlager eingesetzt. Die mehrachsige Lastbeaufschlagung in Verbindung mit der sphärischen Wirkgeometrie führt während des Betriebs im Inneren des Gelenkes zu einer Verschleißverteilung auf der Gleitfläche. Entsprechend stellt sich die Beanspruchung im Inneren des Gelenkes erst in Wechselwirkung mit dieser Verschleiß- bzw. mit einer möglichen irreversiblen Verformungsverteilung ein und verändert sich insbesondere über die Betriebsdauer des Gelenkes. Dieser Beitrag stellt einen Ansatz innerhalb einer Gelenkverschleißsimulation vor, der die Rückkopplung zwischen der Verschleiß- und Pressungsverteilung berücksichtigt. Besondere Herausforderung ist dabei, eine Modellierung zu finden, die sich auf der einen Seite für verschiedene Gelenke einfach mit den üblicherweise vorhandenen Gelenkdaten (CAD, FEM) parametrieren lässt und auf der anderen Seite Rechenzeiten benötigt, welche die Simulation von mehrstündigen Beaufschlagungen zulässt. Die Vorstellung exemplarischer Simulationsergebnisse sowie eine ausblickende Betrachtung möglicher Erweiterungen, beispielsweise durch die Implementierung von plastischen Verformungen in ähnlicher Weise, runden den Beitrag ab.

Kurzfassung Die Verkürzung von Prüfsignalen unter Beibehaltung lokaler Vorgänge ist ein wesentlicher Bestandteil der modernen Betriebsfestigkeitserprobung. Dieser Beitrag stellt ein Verfahren zur Ableitung synthetischer Blockprogramme für die Erprobung von Fahrwerksgelenken vor. Der Kern des Verfahrens ist eine Bauteil-Verschleißsimulation, so dass die Raffung des Prüfsignals auf lokalen Verschleißgrößen basiert. Das vorgestellte Verfahren wird anhand eines Beispiels erläutert und die damit erzielten Vorteile sowie Unterschiede gegenüber herkömmlichen Raffverfahren werden diskutiert.

Kurzfassung Das Phänomen der Reibkorrosion spielt bei Bauteilverbindungen, die zyklischen Belastungen unterliegen, eine wichtige Rolle, da sie einen erheblichen Einfluss auf das Schwingfestigkeitsverhalten oder die Minderung der Schwingfestigkeit der Bauteile hat. Im Folgenden sollen allgemeine Einflussfaktoren auf das Verhal- ten von Bauteilen unter Reibkorrosion erörtert werden. Es werden Ergebnisse aus Wöhler- und Betriebsfestigkeitsversuchen zweier Werkstoffgruppen vorgestellt sowie der Einfluss der Gestalt des Rad-Nabe-Verbunds in Versuchen im zweiaxialen Radprüfstand (ZWARP) beschrieben.

Kurzfassung In dieser Arbeit wurde eine Bemessungsmethode für eine komplex gefertigte Motorelementkomponente, die Teil eines Nockenwellenverstellersystems ist, erarbeitet. Diese Komponente, die während des Betriebs unter pulsierendem Innendruck steht, besteht aus einem kaltumgeformten Stahldeckel, der mit einem Stahlsinter- bauteil überlappend laserstrahlverschweißt wird. Zur Bewertung der Einflussgrößen Werkstoff, Gestaltung und Fertigung auf die Lebensdauer wurde das komplexe Bauteil systematisch durch bauteilähnliche vereinfachte Detailproben experimentell im Einstufenversuch untersucht. An den bauteilähnlichen Versuchskörpern wurde mittels FEM die Kerbspannung für einen Referenzradius r ref = 0,05 mm berechnet und eine Kerbspannungswöhlerlinie abgeleitet. Diese Referenzwöhlerlinie wurde anschließend zur Auslegung des komplexen Bauteils verwendet. Zur Verifizierung der Berechnung wurde die Schwingfestigkeit des Bauteils experimentell ermittelt. Hierbei zeigten sich konservative Ergebnisse. Durch Berücksichtigung des höchst beanspruchten Werkstoffvolumens konnte die Abschätzung verbessert werden.

Kurzfassung Zur detaillierten Bewertung des Ermüdungsverhaltens des Vergütungsstahles 42CrMo4 (1.7225) wurden mechanische Spannung-Dehnung-Hysteresis, Temperatur- und elektrische Widerstandsmessverfahren in Ermüdungsversuchen mit einstufiger und Betriebsbeanspruchung eingesetzt. Um Spannung-Dehnung- Hysteresismessungen auch während Betriebsbeanspruchungen durchführen zu können, wurde ein neues, am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern entwickeltes Versuchskonzept angewendet. Mit den hierbei gewonnenen Messwerten können äquivalent zu Messwerten aus Einstufenversuchen Wechselverformungskurven zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens unter Betriebsbeanspruchung erstellt werden. Die Messwerte werden zudem als Eingangsgrößen für das physikalisch basierte Kurzzeitverfahren „PHYBAL“ zur Lebensdauerberechnung genutzt. Mithilfe von „PHYBAL“ können mit nur drei Ermü- dungsversuchen Wöhlerkurven und Lebensdauerlinien in sehr guter Übereinstimmung mit konventionell ermittelten berech- net werden.

Kurzfassung Der Beitrag stellt die erstmalige Anwendung des Ultrasonic Impact Treatments an Speichen gegossener Aluminiumräder vor. Die durch das UIT-Verfahren auf das Bauteil aufgebrachten mechanischen Impulse bewirken eine Erhöhung der Härte und eine Reduzierung vorhandener Porositäten in Oberflächennähe sowie eine Glättung der Oberfläche. Durch die plastischen Deformationen werden signifikante Druckeigenspannungen erzeugt, die maßgeblich für die Steigerung der Schwingfestigkeit der UIT-behandelten Radspeichen aus dem Werkstoff Aluminiumguss AlSi11Mg unter konstanten und variablen Amplituden verantwortlich sind. Die UIT-Technologie birgt ein hohes Potenzial zur Verbesserung der Lebensdauer und Sicherheit der Bauteile und zur Einsparung von Material und kann somit einen wesentlichen Beitrag zu konsequentem Leichtbau leisten.

Kurzfassung Um das thermomechanische Ermüdungsverhalten von Zylinderköpfen zu untersuchen, werden heutzutage meist Thermoschockprüfungen mit befeuertem Motor durchgeführt. Die lange Prüfdauer und die hohen Versuchskosten treiben hier die Suche nach Alternativen stark voran. Im vorliegenden Beitrag wird daher ein Zylinderkopfprüfstand vorgestellt, der bei IABG betrieben wird und die Nachbildung der thermo-mechanischen Ermüdungseffekte eines Zylinderkopfes im Motorbetrieb im Labor mit zyklischer thermischer Belastung zeitlich stark gerafft und mit deutlich niedrigeren Versuchskosten ermöglicht. Neben einer Darstellung der grundlegenden Zusammenhänge der thermomechanischen Ermüdung in Zylinderköpfen wird die Realisierung der stark zeitgerafften Versuche auf dem thermischen Zylinderkopfprüfstand bei IABG vorgestellt. Neben der rechnerischen Optimierung der thermischen Randbedingungen werden die Einmessung und iterative Anpas- sung der Versuchsparameter, die Versuchsdurchführung mit automatisierter Rissinspektion und -verfolgung sowie die Auswertung der Versuchsläufe dargestellt.

Kurzfassung Die Analyse der Belastungen und Verformung einer Kurbelwelle bei verschiedenen Betriebszuständen erfolgt auf Basis einer Mehrkörpersimulation. Dabei wird der Einfluss der Dynamik des gesamten Kurbeltriebes berücksichtigt. In der Mehrkörperdynamik-Simulationssoftware Simpack ist es möglich, die sich im Bauteil ergebenden Spannungen mithilfe einer modalen Superposition auch für dynamische Beanspruchungen präzise zu bestimmen. Da die Ermittlung der Spannungen in relativ kurzer Zeit möglich ist, können lange Simulationszeiträume und verschiedene Betriebszustände auch in Bezug auf die Bauteilfestigkeit betrachtet werden. Auf der Basis der so ermittelten Knotenspannungen erfolgt nun direkt in Simpack die Abschätzung der Lebensdauer. Hierfür existiert eine bidirektionale Schnittstelle zu dem Lebensdauerprogramm Fat4Fem. Mit dieser Lösung kann der Simpack-Anwender die Lebensdauer eines dynamisch beanspruchten Bauteiles mit geringem Zusatzaufwand abschätzen.

Kurzfassung Für eine verbesserte betriebsfeste Auslegung von Aluminium-Druck-Kurzfassung gussbauteilen muss die Porenverteilung im Bauteil abgeschätzt werden können. Ein existierendes Porositätsmodell wurde für die Berechnung der Porenverteilung in einem Referenzbauteil verwendet. Ein Vergleich mit der Porenverteilung im realen Bauteil zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Der Einfluss der Poren auf die Schwingfestigkeit wird anhand des Kitagawa-Diagramms beschrieben. Daraus kann, zusammen mit der Porenverteilung im Bauteil, die lokal ertragbare Spannungsamplitude abgeleitet werden.

Kurzfassung Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts Advanced Drive Train Simulation — Wind (ADTS) wird beispielgebend ein durchgängiger Prozess für die Berechnung dynamischer Lasten der Komponenten des Antriebsstranges entwickelt. Werkzeuge, die den Prozessgedanken der Gesamtsimulation der Windenergieanlage (WEA) unterstützen, werden vorgestellt. Schnittstellen zwischen den einzelnen CAE-Programmen sorgen für Prozesssicherheit und Effizienz. Das Simulationsmodell umfasst die komplette WEA inklusive der aero-elastischen Kopplung zwischen Wind und Rotor. Das Simulationsmodell wird komplettiert durch komplexe nichtlineare Steifigkeitsmatrizen der Lager, wobei alle Kopplungs- effekte berücksichtigt werden. Untersuchungen hinsichtlich der Tauglichkeit verschiedener Lagermodellierungen werden diskutiert.

Kurzfassung Zur Überprüfung der Betriebsfestigkeit von Verschraubungen werden bisher häufig Versuche mit Echtzeitdaten durchgeführt. Diese bilden die Realität im Fahrzeug gut nach, stellen jedoch einen großen Aufwand im Hinblick auf Prüfzeit und Prüftechnik dar. Auf Basis vorhandener Erfahrungen wurden aus den Realdaten synthetische Prüfprogramme entwickelt, welche eine erhebliche Verringerung der Prüfzeit sowie die Verwendung von einfacherer Prüftechnik erlauben. Anschließend wurden die Ergebnisse aus den originalen Nachfahrversuchen mit jenen aus den substituierenden Prüfungen mit synthetischen Lastverläufen verglichen. Zur Messung der während der dynamischen Prüfungen veränderten Übertragungsfähigkeit der untersuchten Verschraubungen wurde ein Ultraschallmesssystem verwendet, welches kurz vorgestellt wird. Durch diese Messmethodik wurden einige Nachteile bisher verwendeter Verfahren ausgeräumt. Die Versuchsergebnisse zeigen ein durchweg positives Bild bezüglich der Substituierbar- keit der Nachfahrversuche durch synthetische Lasten. Durch die Verwendung von synthetischen Lasten ist eine erhebliche Ver- ringerung der Versuchszeiten bei annähernd gleichbleibenden Ergebnissen möglich.

Kurzfassung Aufgrund der überragenden Bedeutung des Leichtbaus im Fahrzeugbau versucht man heutzutage immer mehr Bauteile aus Metall durch kurzfaserverstärkten Kunststoff zu ersetzen. Für die betriebsfeste Bauteildimensionierung benötigt man Wöhlerlinien, welche jedoch stark von Faserorientierung, Temperatur, Feuchtigkeit und anderen Einflüssen abhängen. Dazu wurden umfangreiche Probenversuche im Rahmen eines Forschungsprojektes durchgeführt. Für die Lebensdauervorhersage wurden Methoden entwickelt und ein Simulationsprozess etabliert, der Faserorientierung und Faserverteilung als Ergebnis einer Spritzgießsimulation berücksichtigt. Anhand von Praxisbauteilen mit vorhandenen Versuchsergebnissen wurden die neuen Verfahren verifiziert.

Kurzfassung Die Lebensdauer von Elastomerbauteilen im Fahrwerksbereich wird maßgeblich durch die mehraxiale mechanische Belastung, die Temperaturbelastung und durch das Einwirken von Umgebungsmedien beeinflusst. Zur Berücksichtigung der einzelnen Einflussfaktoren und ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen auf die Bauteillebensdauer wurde eine Versuchsmethodik erarbeitet, die trotz hoher Raffung der Versuchszeit zu einer feldäquivalenten Schädigung der Bauteile führt.

Kurzfassung Bei der mehraxialen Betriebsfestigkeitsprüfung von Achsen gibt es bislang keine Standardschnittstelle zwischen dem Achsträger und dem Achshaltesystem, die die Steifigkeit der Karosserieanbindungspunkte abbildet. Die daraus resultierenden Steifigkeitssprünge verfälschen das Erprobungsergebnis des wichtigen Strukturbauteiles Achsträger. Um die Aussagequalität dieser Tests um dieses Bauteil zu erhöhen, hat ZF Lemförder in Zusammenarbeit mit einem Lieferanten eine konstruktive Lösung und Validierungsmethodik erarbeitet. Eine weitere Effizienzsteigerung wird durch die Einführung eines schnellen, übersichtlichen Bewertungstools für Iterations- und Simulationsergebnisse erzielt. Mithilfe des Excel-basierten Berechnungsmakros „Target- Response-Analyzer“ lassen sich Iterationsergebnisse schnell und übersichtlich bewerten. Eine kanalbezogene Schädigungsübersicht des Anteils einzelner Teststreckenabschnitte an der Gesamtschädigung eines Kollektivs liefert dem Iterationspersonal vor Arbeitsbeginn einen Fahrplan, welche Arbeitsaufwände für welche Strecken sinnvoll sind. Weitere Auswerteregisterblätter liefern nach abgeschlossener Iteration einen zusammenhängenden Überblick über das schädigungsbasierte Iterationsergebnis von beliebig vielen Strecken und Belastungskanälen.