Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung des Berechnungskonzepts für die Reibdauerermüdung auf Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffe

In dynamisch belasteten Bauteilverbindungen treten aufgrund unterschiedlicher Steifigkeiten der verbundenen Teile nahezu immer Relativbewegungen im Kontakt auf, die den Schädigungsprozess der Reibdauerermüdung initiieren und die Gestaltfestigkeit der betroffenen Bauteilverbindungen signifikant herabsetzen. Von dem Schadensmechanismus sind aufgrund der Vielzahl an eingesetzten Materialien sowohl Stahl- als auch Aluminium- und Gusseisenwerkstoffe betroffen.

In den bisher durchgeführten Untersuchungen wurde gezeigt, dass die reibkorrosive Schädigung mit Hilfe der Reibkorrosionsfaktoren KR, σ, RD, in das bestehende örtliche Berechnungskonzept der FKM-Richtlinie integriert werden kann. Die im Vorlaufvorhaben erarbeitete Bewertungsgrundlage basiert dabei auf der tribologisch kritischsten Beanspruchung aus Schlupf und Fugendruck. Darüber hinaus konnte der Einfluss von Grund- und Gegenwerkstoff auf die Reibdauerfestigkeit von Stahlwerkstoffen beschrieben und anhand realitätsnaher Fügeverbindungen validiert werden. Eine werkstoffgruppenübergreifende Bewertung von reibdauerbeanspruchter Bauteile, d. h. eine Bewertung von Gusseisen- und Aluminiumwerkstoffen, ist, aufgrund fehlender experimenteller Untersuchungen, aktuell jedoch nicht möglich.

Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung eines allgemeingültigen und werkstoffgruppenübergreifenden Reibkorrosionsfaktors zu forcieren. Der daraus hervorgehende größere Gültigkeitsbereich des Berechnungsverfahrens befürwortet damit eine schnelle Übernahme des Berechnungskonzeptes in den schon heute werkstoffübergreifenden Ermüdungsfestigkeitsnachweis der FKM-Richtlinie und damit den direkten Transfer in die Wirtschaft. Es ist zu erwarten, dass von den Ergebnissen alle Unternehmen, insbesondere KMU, partizipieren und die gegenwertig vorliegenden Unsicherheiten bzw. hohen Sicherheitsfaktoren deutlich reduziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Basierend auf dem im Vorlaufvorhaben erarbeiteten allgemeingültigen Berechnungsverfahren für reibdauerbeanspruchte Stahl-Stahl-Kontakte, soll im Projekt eine Erweiterung des Berechnungsverfahrens auf die Werkstoffgruppen Gusseisen und Aluminium erfolgen. Dies begründet sich vornehmlich durch die geplante Integration des Berechnungsverfahrens in die FKM-Richtlinie (Rechnerischer Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen), welches branchenübergreifend ein vielgenutztes Instrument zur Bewertung komplexer Bauteilgeometrien darstellt.

Das Phänomen der Reibdauerermüdung lässt sich auf eine zusätzlich zur spannungsmechanischen Beanspruchung vorliegende tribologische Beanspruchung zurückführen. Mittels des doppelt aktuierten Reibklötzchenprüftstandes (Labormodell) der Forschungsstelle wurde zunächst eine Einflussanalyse der tribologischen Parameter auf die Reibdauerfestigkeit bei den Werkstoffen EN-GJS-700 und EN AW-7075 T651 durchgeführt und so die kritischste Parameterkombination aus Schlupfamplitude und Kontaktpressung für Gusseisen- bzw. Aluminiumwerkstoffe bestimmt. Basierend auf dieser wurden die minimale Reibdauerfestigkeiten der Werkstoffe EN-GJS-700, EN-GJS-400 und E723 (EN-GJL-300) sowie EN AW-7075 T651, EN AW-6082 T651 und EN AW-5083 am Labormodell ermittelt. Mit Hilfe numerischer Methoden wurden Reibkorrosionsfaktoren abgeleitet, welche es ermöglichen die tribologische Schädigung zu berücksichtigen und die damit die Basis des erarbeiteten Berechnungsverfahrens bilden. Die ermittelten Reibkorrosionsfaktoren sowie das gesamte Berechnungsverfahren wurden an Pleuelverbindungen verifiziert. Somit steht dem Anwender final ein validiertes Berechnungsverfahren zur Verfügung, das auf Grundlage der bekannten FKM-Richtlinie den Festigkeitsnachweis für reibdauerermüdungsgefährdete Bauteile aus Stahl, Gusseisen und Aluminium ermöglicht.