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Frettingbeanspruchung von Bauteilen

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Methodik zur Untersuchung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen unter komplexen Beanspruchungen. Dabei wurden Fragestellungen der Schwingfestigkeit, der Kontaktflächenermüdung und in Teilaspekten auch der Bruchmechanik berücksichtigt.

Die Analysemethodik wurde an Hand eines Beispielbauteils erarbeitet. Dabei handelte es sich um einen Hochdruckzylinder einer Hochdruckpumpe, der mit Betriebsdrücken bis 400 MPa betrieben wird. Der Betriebsdruck wird durch eine Axialkolbenpumpe als Hydraulikantrieb erzeugt. Dies bedingt nicht nur eine hohe Betriebslast, sondern auch annähernd rein schwellende Lastverhältnisse für den Zylinder. Insbesondere an den Dichtflächen, an denen sich die hohen Betriebsdrücke mit den Kontaktbelastungen überlagern, bildet sich eine komplexe Beanspruchung aus. Um diesen Verhältnissen dauerhaft Stand zu halten, werden gezielt Eigenspannungen in das Bauteil eingebracht, wobei unterschiedliche Verfahren genutzt werden.

In gefügten Bauteilen treten verschiedenste Verschleißformen auf, welche die Lebensdauer des Bauteils wesentlich beeinflussen. Eine dieser Schädigungsformen, Fretting, tritt häufig bei gefügten Welle-Nabe-Verbindungen, an Lagerrücken oder bei Schwalbenschwanzverbindungen in Turbinenläufern auf. Ursache für den Verschleiß sind dabei hohe Lasten und kleine überlagerte Schwingungsamplituden. Die Bedeutung dieser Verschleißform wird klar, wenn man bedenkt, dass 8 % aller verschleißbedingten Ausfälle auf Fretting zurückzuführen sind.

In diesem Projekt wurde der tribologische Vorgang hinsichtlich der auftretenden Verschleißerscheinungen und deren Auswirkung auf die Ermüdung betrachtet. Ebenso wurden die Versuchsergebnisse in eine numerische Simulation eingebunden, Versuche zur Verschleißcharakterisierung und zur tribomechanischen Ermüdung durchgeführt und die Ergebnisse im Rahmen der Betriebsfestigkeit eingeordnet. Ausgehend von einer Betrachtung der komplexen Einflüsse auf einen innendrucktragenden Zylinder wurden komplexe Mechanismen der Werkstofffestigkeit analysiert und eine Methodik zur Berücksichtigung der Auswirkungen einer Kontaktbeanspruchung des Bauteils (Fretting) entwickelt.

Fretting stellt eine betriebsbedingte Kerbe mit ebensolchen Auswirkungen dar. Durch die entwickelte Methodik können Maßnahmen gegen Fretting bereits in der Auslegungsphase eines Produkts ergriffen werden. Wir haben ein Werkstoffmodell entwickelt, das die Bewertung des Einflusses der Frettingbeanspruchung auf den Werkstoff ermöglicht. Das in diesem Projekt erarbeitete Werkstoffmodell basiert auf charakteristischen Werkstoffkennwerten und der Berücksichtigung des tribologischen Systems. Der erarbeitete Optimierungsablauf gegen Frettingschädigung, der eine strukturierte Analyse und die Ableitung von Lösungsansätzen hinsichtlich einer fortschreitenden Frettingbeanspruchung ermöglicht, ist in Abb. 2c zu sehen.

In diesem Projekt konnte Fretting als komplexe Beanspruchung analysiert und wesentliche Einflussfaktoren auf die Schadensentwicklung identifiziert werden. Aus den umfangreichen Untersuchungen konnten Maßnahmen abgeleitet und IngenieurInnen eine durchgängige Optimierungskette zur Verfügung gestellt werden. Das entwickelte Werkstoffmodell ermöglicht die Berechnung der Werkstofffestigkeit unter Frettingbeanspruchung und verzichtet auf eine komplexe Versuchsdurchführung. Das Projekt zusammen mit dem Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau mit der BHDT GmbH und der Oerlikon Balzers Coating Austria GmbH abgewickelt.