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Bewertung der Schwingfestigkeit von festgewalzten Kurbelwellen unterschiedlicher Werkstoffe

Status abgeschlossen
Ziele

1. Numerische Beschreibung des Werkstoffverhaltens in der festgewalzten Randzone
Für die Simulation des Festwalzprozesses und eine sich anschließende Simulation der Betriebsbelastungen ist die möglichst realitätsnahe Abbildung des Werkstoffverhaltens von entscheidender Bedeutung. Grundlage sind die Ergebnisse aus statischen und zyklischen Versuchen an Werkstoffproben. Das reale Werkstoffverhalten wird durch Plastizitätsmodelle mit unterschiedlichen Verfestigungsregeln angenähert.

2. Rechnerische und experimentelle Bewertung der Eigenspannungen
Einen wesentlichen Einfluss auf die Frage, ob Risse im Bauteil fortschreiten oder ob es zum Rissstopp kommt, haben die durch den Festwalzprozess in das Bauteil eingebrachten Eigenspannungen. Diese bei der Bewertung der Schwingfestigkeit zu berücksichtigen, ist essentiell. Dazu wird einerseits der Festwalzprozess simuliert und der Verlauf der Eigenspannungen rechnerisch ermittelt, andererseits wird der tatsächliche Verlauf mit Hilfe geeigneter Analysemethoden am Bauteil gemessen.

3. Beschreibung der zeitlichen Abfolge von Anrissbildung und Rissfortschritt im Kerbbereich
Das grundlegende Ziel der Bewertung mit Hilfe des entwickelten Bemessungskonzepts ist das Ereignis Rissstopp. Die Bewertung erfolgt daher anhand des Spannungsintensitätsfaktors K. Ein wesentlicher Punkt ist die Erfassung des Anrisszeitpunktes und des Rissfortschritts im Kerbbereich und deren zeitliche Abfolge. Wenn die Abfolge der Rissbildung und die Lage, Form und Orientierung der Risse bekannt sind, kann beurteilt werden, inwieweit sich die Risse gegenseitig beeinflussen. Ein detaillierte bruchmechanische Modellbildung ist damit möglich.

4. Erweiterung der bruchmechanischen Bewertung, insbesondere im Hinblick auf das verhalten des Gusswerkstoffs in Bezug auf Anrissbildung und Rissstopp
Für Gusskurbelwellen ist der Mechanismus des Rissstopps infolge des durch das Festwalzen induzierten Druckeigenspannungsfelds zwar bekannt und experimentell nachgewiesen, eine rechnerische Beschreibungsmöglichkeit analog zu den Stahlkurbelwellen existierte bisher allerdings noch nicht. Eine direkte Übertragbarkeit der an Stahlkurbelwellen gefundenen Ergebnisse war nicht zu erwarten, da für den Gusswerkstoff aufgrund seines sich im Vergleich zu Stahlkurbelwellen unterscheidenden Gefüges ein anderes Verhalten beim Festwalzen und beim Rissfortschritt bzw. -stopp zu erwarten ist.

5. Ableiten eines Bemessungsverfahrens für Stahlkurbelwellen unter Berücksichtigung der Sensitivität der einzelnen Bausteine der Bemessung auf das Energebnis
Das im Vorgängerprojekt (FVV Heft 605-2010) beschrieben Konzept bildet die Grundlage des zu erarbeitenden Bemessungsverfahrens. Bisher war es noch nicht möglich den Einfluss einzelner Parameter auf das Energebnis mit ausreichender Sicherheit zu quantifizieren. Eine gezielte Optimierung, beispielsweise von Werkstoff, Geometrie oder Walzkräften war damit noch nicht möglich. Hier schließt dieses Projekt an mit dem Ziel, die Höhe und den Verlauf der Eigenspannungen, das Werkstoff- und Geometriemodell zur Eigenspannungs- und Beanspruchungsermittlung, das bruchmechanische Modell und die bruchmechanischen Werkstoffkennwerte hinsichtlich ihres Einflusses auf das Endergebnis zu bewerten und in Bezug auf Ihre Genauigkeit zu optimieren.

6. Übertragung des Bemessungskonzeptes auf Gusswerkstoffe
Unter Berücksichtigung der im Vergleich zu Stahlwerkstoffen deutlich unterschiedlichen Mikrostruktur aus Eisenmatrix und Grafitkugeln und dem damit einhergehenden, unterschiedlichen Rissfortschrittsverhalten insbesonder infolge Überlasten, wird das Bemessungsverfahren auf Gusswerkstoffe übertragen. Die Verifizierung des Konzepts erfolgt an realen Bauteil-Beispielen durch Vergleich der rechnerischen Vorhersage mit Versuchsergebnissen.



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