TY - THES

T1 - Die Auswirkung von gussrauen Oberflächen auf die Schwingfestigkeit von gegossenem Aluminium im Automobilbau

AU - Aigner, Matthias

N1 - gesperrt bis 08-09-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Antriebskomponenten aus gegossenem Aluminium findet in der heutigen Zeit speziell im Automobilbereich eine immer breitere Anwendung. Hierbei werden Formgussbauteile aus Aluminiumlegierungen aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials mit dem Zweck eingesetzt, das Gewicht zu reduzieren und somit die Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren zu verringern. Diese geometrisch komplexen Komponenten können durch modernste Sandgussverfahren, wie beispielsweise dem Kernpaketverfahren (CPS), endformnah hergestellt werden. Die sich dabei ergebenden Oberflächen weisen eine Topographie und Rauheit auf, welche durch die verwendete Gussform sowie die Gusstechnologie maßgebend beeinflusst werden und in der Praxis sowohl maschinell nachbearbeitet als auch gussrau Verwendung finden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Effekt der unbearbeiteten Gussoberfläche auf die Schwingfestigkeit des Werkstoffes untersucht um Serienbauteile technisch und wirtschaftlich zu bewerten. Um eine anwendungsbezogene Versuchsdurchführung zu gewährleisten, werden Flachproben direkt von Zylinderkurbelgehäusen der Serienproduktion entnommen, wodurch am Prüfquerschnitt eine raue und unbehandelte Gussoberfläche entsprechend dem industriellen Fertigungsprozess vorhanden ist. An diesen Prüfkörpern werden Konstantschwingversuche für wechselnde und schwellende Zug/Druck- und Biegebeanspruchung durchgeführt. Zur lokalen Bewertung des Einflusses der Oberflächentopographie auf die Ermüdungsfestigkeit werden zusätzlich numerische Analysen auf Basis von Kerbspannungen durchgeführt. Dazu wird mit einem Konfokalmikroskop die Rautiefe und Oberflächenbeschaffenheit der Gussoberfläche optisch vermessen. Die auf diese Weise produzierten Datensätze ermöglichen die Erstellung eines Finite-Elementen Modells der Oberfläche. Das abgebildete Referenzvolumen wird in der Simulation sowohl auf Zug als auch auf Schub belastet wird. Die dadurch erzielten multiaxialen Spannungsverteilungen zeigen lokale Spannungsüberhöhungen in den Rauheitstälern der Oberfläche, wobei sich, unter Zuhilfenahme des bruchmechanischen Langrissschwellwertes vom defektfreien Material, über das Konzept des kritischen Abstands, schwingfeste Einflussfaktoren bestimmen lassen. Dies ermöglicht die schwingfeste Bewertung von derartigen Oberflächentopographien unter zyklischer Beanspruchung. Die experimentellen Ergebnisse aus den Wöhlerversuchen werden in weiterer Folge diesen numerisch evaluierten Einflussfaktoren gegenübergestellt, wodurch eine vergleichende Ermüdungsfestigkeitsbewertung technisch unterschiedlich rauer Gussoberflächen ermöglicht wird. Die in dieser Arbeit aufgebaute Methodik ermöglicht einen neuartigen Einblick in die Auswirkungen der Oberflächentopographie auf die Lebensdauer gegossener Aluminiumbauteile sowie deren Interaktion mit möglichen Defekten in der Randschicht. Des Weiteren können fertigungsprozessbedingte Streueffekte von rauen Gussoberflächen bereits früh im Auslegungs- und Dimensionierungsprozess berücksichtigt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass bereits in der Konzeptionsphase der Fokus auf eine betriebsfeste Optimierung der Bauteile gelegt wird, wodurch sowohl Kosten in der Erprobung eingespart sowie die Entwicklungs- und Konstruktionsprozesse verkürzt werden.

AB - Eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Antriebskomponenten aus gegossenem Aluminium findet in der heutigen Zeit speziell im Automobilbereich eine immer breitere Anwendung. Hierbei werden Formgussbauteile aus Aluminiumlegierungen aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials mit dem Zweck eingesetzt, das Gewicht zu reduzieren und somit die Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren zu verringern. Diese geometrisch komplexen Komponenten können durch modernste Sandgussverfahren, wie beispielsweise dem Kernpaketverfahren (CPS), endformnah hergestellt werden. Die sich dabei ergebenden Oberflächen weisen eine Topographie und Rauheit auf, welche durch die verwendete Gussform sowie die Gusstechnologie maßgebend beeinflusst werden und in der Praxis sowohl maschinell nachbearbeitet als auch gussrau Verwendung finden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Effekt der unbearbeiteten Gussoberfläche auf die Schwingfestigkeit des Werkstoffes untersucht um Serienbauteile technisch und wirtschaftlich zu bewerten. Um eine anwendungsbezogene Versuchsdurchführung zu gewährleisten, werden Flachproben direkt von Zylinderkurbelgehäusen der Serienproduktion entnommen, wodurch am Prüfquerschnitt eine raue und unbehandelte Gussoberfläche entsprechend dem industriellen Fertigungsprozess vorhanden ist. An diesen Prüfkörpern werden Konstantschwingversuche für wechselnde und schwellende Zug/Druck- und Biegebeanspruchung durchgeführt. Zur lokalen Bewertung des Einflusses der Oberflächentopographie auf die Ermüdungsfestigkeit werden zusätzlich numerische Analysen auf Basis von Kerbspannungen durchgeführt. Dazu wird mit einem Konfokalmikroskop die Rautiefe und Oberflächenbeschaffenheit der Gussoberfläche optisch vermessen. Die auf diese Weise produzierten Datensätze ermöglichen die Erstellung eines Finite-Elementen Modells der Oberfläche. Das abgebildete Referenzvolumen wird in der Simulation sowohl auf Zug als auch auf Schub belastet wird. Die dadurch erzielten multiaxialen Spannungsverteilungen zeigen lokale Spannungsüberhöhungen in den Rauheitstälern der Oberfläche, wobei sich, unter Zuhilfenahme des bruchmechanischen Langrissschwellwertes vom defektfreien Material, über das Konzept des kritischen Abstands, schwingfeste Einflussfaktoren bestimmen lassen. Dies ermöglicht die schwingfeste Bewertung von derartigen Oberflächentopographien unter zyklischer Beanspruchung. Die experimentellen Ergebnisse aus den Wöhlerversuchen werden in weiterer Folge diesen numerisch evaluierten Einflussfaktoren gegenübergestellt, wodurch eine vergleichende Ermüdungsfestigkeitsbewertung technisch unterschiedlich rauer Gussoberflächen ermöglicht wird. Die in dieser Arbeit aufgebaute Methodik ermöglicht einen neuartigen Einblick in die Auswirkungen der Oberflächentopographie auf die Lebensdauer gegossener Aluminiumbauteile sowie deren Interaktion mit möglichen Defekten in der Randschicht. Des Weiteren können fertigungsprozessbedingte Streueffekte von rauen Gussoberflächen bereits früh im Auslegungs- und Dimensionierungsprozess berücksichtigt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass bereits in der Konzeptionsphase der Fokus auf eine betriebsfeste Optimierung der Bauteile gelegt wird, wodurch sowohl Kosten in der Erprobung eingespart sowie die Entwicklungs- und Konstruktionsprozesse verkürzt werden.

KW - aluminium

KW - casting

KW - surface roughness

KW - fatigue strength

KW - Aluminium

KW - Gussbauteil

KW - Oberfläche

KW - Betriebsfestigkeit

M3 - Masterarbeit

ER -