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Dauerfestigkeitskriterien von festgewalzten Stahlkurbelwellen

Status abgeschlossen
Ziele

1. Berechnungsmethodik für die Abschätzung des Rissstopps bei festgewalzten Kurbelwellen
Die Anwendung der Berechnungsmethodik zur Abschätzung des Rissstopps bei festgewalzten Stahlkurbelwellen kann entscheidend zur betriebssicheren Auslegung der festgewalzten Bauteile beitragen. Bereits in einer frühen Phase des Produktentstehungsprozesses können geeignete Prozessparameter und ertragbare Beanspruchungen ermittelt werden, die zu einer Verkürzung der Entwicklungsphase sowie einer teilweisen Einsparung von notwendigen Bauteilversuchen führen können. Bei bestehenden Konstruktionen kann die Substitution durch einen günstigeren Kurbelwellenwerkstoff weiteres Einsparpotential bieten.

Durch das Festwalzen (mechanisches Oberflächenverfestigungsverfahren) der Kerbradien von Hub- und Wellenzapfen bei Stahlkurbelwellen kann die Schwingfestigkeit der Bauteile gesteigert werden, indem Ermüdungsrisse durch die im oberflächennahen Bereich vorliegenden Druckeigenspannungen zum Rissstopp gebracht werden können. Die Druckeigenspannungen entstehen durch die plastische Verformung der Kerboberfläche. Die Berechnungsmethodik beinhaltet die numerische Simulation des Festwalzens zur Ermittlung des oberflächennahen Eigenspannungsfelds, die numerische Simulation der nachfolgenden betriebsähnlichen Belastungen (Biegebelastung sowie kombinierte Biege- und Torsionsbelastung) zur Ermittlung deren Einflusses auf die Stabilität der Eigenspannungen und abschließend eine darauf basierende bruchmechanische Bewertung. Die bruchmechanische Bewertung liefert eine Abschätzung darüber, ob Ermüdungsrisse, die infolge der schwingenden Beanspruchung im Kerbbereich entstehen können, bis zum Versagen des Bauteils fortschreiten oder durch die eingebrachten Eigenspannungen der Rissfortschritt gestoppt werden kann.

Zur Verifikation der Berechnungsmethodik wird ein umfangreiches Versuchsprogramm an festgewalzten Stahlkurbelwellen aus den Werkstoffen 42CrMo4V und 38MnS6BY unter betriebsähnlichen Belastungen sowie einzelner Überlasten durchgeführt.


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