Die rechnerische oder experimentelle Abschätzung der Lebensdauer ist entscheidend bei der Neuentwicklung eines schwingend belasteten Bauteils. Durch Schwingfestigkeitsversuche werden die Auswirkungen einer schwingenden Beanspruchung auf das Werkstoffverhalten oder das Bauteil ermittelt. Berechnungskonzepte ermöglichen die Abschätzung der Lebensdauer.
Fragestellung
Die rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit bei schwingender Bauteilbelastung ist sehr komplex. Es gibt viele Einflussgrößen, deren gegenseitige Wechselwirkung nicht ausreichend bekannt ist, um die Lebensdauer des Bauteils treffsicher zu berechnen. Besonders wichtig sind die realen Belastungen im Bauteilbetrieb, die Geometrie des Bauteils und die durch die Fertigungsprozesse entstehenden Änderungen der Werkstofffestigkeit. Die Festigkeit von Bauteilen kann erheblich streuen. Für eine sichere Auslegung muss diese Streuung berücksichtigt werden.
Die zutreffende Annahme der im Betrieb auftretenden Lasten ist eine wesentliche Eingangsgröße für die Abschätzung der Lebensdauer bei schwingender Beanspruchung. Durch eine Betriebsmessung können die Betriebslasten ermittelt werden. Bei neu entwickelten Bauteilen sollte die getroffene Lastannahme durch eine Messung überprüft werden.
Aufgrund der eingeschränkten Treffsicherheit der rechnerischen Lebensdauerabschätzung steht am Ende der Entwicklung eines schwingend beanspruchten Bauteils immer der experimentelle Festigkeitsnachweis.
Lösung
Die Auslegung eines schwingend beanspruchten Bauteils beginnt mit der Lastannahme. Messungen am Bauteil in der realen Betriebsumgebung vor Ort ermöglichen eine zutreffende anwendungsspezifische Lastannahme. Durch Schwingfestigkeitsprüfungen werden die notwendigen Werkstoffkennwerte ermittelt. Liegen Beanspruchung (Lastannahme) und Beanspruchbarkeit (Werkstofffestigkeit) vor, kann anschließend eine rechnerische Lebensdauerabschätzung durchgeführt werden. Die getroffenen Annahmen werden abschließend durch die Prüfung des Bauteils überprüft.
Die Entwicklung neuer Bauteile wird durch die Anwendung der Finite-Element-Methode unterstützt. Die Auswirkungen von Änderungen der Geometrie oder des Werkstoffs auf die Schwingfestigkeit können so schnell und ohne Prüfung eines realen Bauteils bewertet werden. Durch eine Anpassung der Berechnungsalgorithmen auf Basis von Versuchsergebnissen kann die Treffsicherheit der Lebensdauer gesteigert werden.
Vorteile
Durch die umfangreiche flexibel anpassbare Prüftechnik können Werkstoff- und Bauteilkennwerte unter realen Belastungen ermittelt werden. Die Verknüpfung des Versuchs mit Berechnungs- und Simulationstools ermöglicht die Optimierung von schwingend beanspruchten Bauteilen mit einer reduzierten Anzahl von realen Prüfteilen bei gesteigerter Treffsicherheit.
Leistungsparamter
In Abhängigkeit vom Prüfaufbau und -maschine:
- Einleitbare Nennkraft zwischen 1 kN und 250 kN
- Nennweg zwischen 0 mm und 250 mm
- Prüffrequenz zwischen 1 Hz und 100 Hz
Weitere Anwendungsmöglichkeiten
- Bauteile für PKW und Nutzfahrzeuge, beispielsweise Motoren- und Getriebelager oder PKW-Achsen
- Bauteile für Schienenfahrzeuge, beispielsweise Eisenbahnfahrwerke
- Lebensdauer von Fügeverbindungen, beispielsweise Schweiß-, Clinch-, Stanznietverbindungen
- Hochbelastete Bauteile in der Labortechnik, beispielsweise Zentrifugenbecher
- Messungen im Antriebsstrang
- Generell alle schwingend beanspruchten Bauteile
Entwicklungsstand
Experimenteller und rechnerischer Festigkeitsnachweis bis zum Serienbauteil
Forschungseinrichtung
TU Clausthal
Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit
Abteilung Betriebsfestigkeit und Systemverhalten
