TY - THES

T1 - Stabilität von Eigenspannungen kugelgestrahlter Pleuel unter zyklischer Beanspruchung

AU - Liebfahrt, Lukas

N1 - gesperrt bis 01-12-2021

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Um den Klimawandel nicht weiter zu verschärfen, geben die Gesetzgeber Richtlinien vor, welche den Ausstoß von Schadstoffen sowie den Flottenverbrauch regulieren. Verantwortlich für die Umsetzung dieser Vorschriften sind die Hersteller von Kraftfahrzeugen, welche verschiedene Strategien anwenden um diese Vorgaben zu erreichen. Neben dem Einsatz von alternativen Antriebskonzepten ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts von entscheidender Bedeutung. Sicherheitsanforderungen sowie die Tendenz zu steigenden Leistungen im Automobilbau stellen hierbei jedoch einen Interessenskonflikt dar. Dies führt zu dem bereits seit Jahren anhaltenden Trend, vermehrt Leichtbautechniken im Fahrzeugbau einzusetzen, wobei ein häufig angewandter Ansatz der Werkstoffleichtbau darstellt. Eine vergleichsweise kostengünstige Methode zur Steigerung der Werkstofffestigkeit lässt sich durch den Kugelstrahlprozess erreichen. Bei dieser Oberflächennachbehandlungstechnologie wird das Bauteil mit Strahlmittelkörnern beschossen, wodurch aufgrund von plastischen Verformungen der Werkstoff verfestigt und Druckeigenspannungen eingebracht werden. Im Speziellen ausgeprägte Druckeigenspannungszustände im randschichtnahen Bereich bewirken hierbei eine Steigerung der lokalen Ermüdungsfestigkeit. Für die Bewertung von Leichtbauteilen hinsichtlich ihrer Lebensdauer ist daher die Stabilität des Eigenspannungszustands in der Randschicht von enormer Bedeutung. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit einer Simulationsmethodik, welche den Eigenspannungszustand aus dem Kugelstrahlprozess ermittelt und auf ein Bauteil, im konkreten Fall ein Pleuel einer Verbrennungskraftmaschine, überträgt. Zur Materialcharakterisierung wurden Zug-, Kurzzeitschwingfestigkeits- und Kriechversuche an direkt aus den Pleueln gefertigten Kleinproben durchgeführt, und darauf basierend Materialmodelle abgeleitet. Mit diesen Parametern wurde anschließend die Kugelstrahlsimulation durchgeführt und die Eigenspannungen und Verfestigungen auf das Pleuel übertragen. Um Aussagen über die Stabilität der Eigenspannungen treffen zu können, wurde eine zyklische Belastungssimulation des gesamten Bauteils durchgeführt, wobei die numerischen Ergebnisse einen signifikanten Abbau der Eigenspannungen innerhalb der ersten Zyklen zeigen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurden Versuche am kugelgestrahlten Pleuel mit identen Belastungsszenarien durchgeführt. Dabei wurden die Eigenspannungen bei unterschiedlicher Lastzyklenanzahl sowohl an der Oberfläche als auch in die Tiefe röntgenographisch gemessen. Die Messergebnisse vor der Belastung sowie jene nach einem Beanspruchungszyklus korrelieren dabei gut mit den Resultaten der Simulation mit einer durchschnittlichen Abweichung von rund 14 %. Die in der Arbeit aufgebaute Methodik ist daher geeignet, um die zyklische Stabilität der durch den Kugelstrahlprozess in die Randschicht eingebrachten Druckeigenspannungen abschätzen zu können.

AB - Um den Klimawandel nicht weiter zu verschärfen, geben die Gesetzgeber Richtlinien vor, welche den Ausstoß von Schadstoffen sowie den Flottenverbrauch regulieren. Verantwortlich für die Umsetzung dieser Vorschriften sind die Hersteller von Kraftfahrzeugen, welche verschiedene Strategien anwenden um diese Vorgaben zu erreichen. Neben dem Einsatz von alternativen Antriebskonzepten ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts von entscheidender Bedeutung. Sicherheitsanforderungen sowie die Tendenz zu steigenden Leistungen im Automobilbau stellen hierbei jedoch einen Interessenskonflikt dar. Dies führt zu dem bereits seit Jahren anhaltenden Trend, vermehrt Leichtbautechniken im Fahrzeugbau einzusetzen, wobei ein häufig angewandter Ansatz der Werkstoffleichtbau darstellt. Eine vergleichsweise kostengünstige Methode zur Steigerung der Werkstofffestigkeit lässt sich durch den Kugelstrahlprozess erreichen. Bei dieser Oberflächennachbehandlungstechnologie wird das Bauteil mit Strahlmittelkörnern beschossen, wodurch aufgrund von plastischen Verformungen der Werkstoff verfestigt und Druckeigenspannungen eingebracht werden. Im Speziellen ausgeprägte Druckeigenspannungszustände im randschichtnahen Bereich bewirken hierbei eine Steigerung der lokalen Ermüdungsfestigkeit. Für die Bewertung von Leichtbauteilen hinsichtlich ihrer Lebensdauer ist daher die Stabilität des Eigenspannungszustands in der Randschicht von enormer Bedeutung. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit einer Simulationsmethodik, welche den Eigenspannungszustand aus dem Kugelstrahlprozess ermittelt und auf ein Bauteil, im konkreten Fall ein Pleuel einer Verbrennungskraftmaschine, überträgt. Zur Materialcharakterisierung wurden Zug-, Kurzzeitschwingfestigkeits- und Kriechversuche an direkt aus den Pleueln gefertigten Kleinproben durchgeführt, und darauf basierend Materialmodelle abgeleitet. Mit diesen Parametern wurde anschließend die Kugelstrahlsimulation durchgeführt und die Eigenspannungen und Verfestigungen auf das Pleuel übertragen. Um Aussagen über die Stabilität der Eigenspannungen treffen zu können, wurde eine zyklische Belastungssimulation des gesamten Bauteils durchgeführt, wobei die numerischen Ergebnisse einen signifikanten Abbau der Eigenspannungen innerhalb der ersten Zyklen zeigen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurden Versuche am kugelgestrahlten Pleuel mit identen Belastungsszenarien durchgeführt. Dabei wurden die Eigenspannungen bei unterschiedlicher Lastzyklenanzahl sowohl an der Oberfläche als auch in die Tiefe röntgenographisch gemessen. Die Messergebnisse vor der Belastung sowie jene nach einem Beanspruchungszyklus korrelieren dabei gut mit den Resultaten der Simulation mit einer durchschnittlichen Abweichung von rund 14 %. Die in der Arbeit aufgebaute Methodik ist daher geeignet, um die zyklische Stabilität der durch den Kugelstrahlprozess in die Randschicht eingebrachten Druckeigenspannungen abschätzen zu können.

KW - Eigenspannungsabbau

KW - Eigenspannungen

KW - Stabilität von Eigenspannungen

KW - Simulation

KW - Residual stresses

KW - residual stress relaxation

KW - simulation

KW - residual stress stability

M3 - Masterarbeit

ER -