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

Research output: ThesisMaster's Thesis

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title = "Die Auswirkung von gussrauen Oberfl{\"a}chen auf die Schwingfestigkeit von gegossenem Aluminium im Automobilbau",
abstract = "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 k{\"o}nnen durch modernste Sandgussverfahren, wie beispielsweise dem Kernpaketverfahren (CPS), endformnah hergestellt werden. Die sich dabei ergebenden Oberfl{\"a}chen weisen eine Topographie und Rauheit auf, welche durch die verwendete Gussform sowie die Gusstechnologie ma{\ss}gebend beeinflusst werden und in der Praxis sowohl maschinell nachbearbeitet als auch gussrau Verwendung finden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Effekt der unbearbeiteten Gussoberfl{\"a}che auf die Schwingfestigkeit des Werkstoffes untersucht um Serienbauteile technisch und wirtschaftlich zu bewerten. Um eine anwendungsbezogene Versuchsdurchf{\"u}hrung zu gew{\"a}hrleisten, werden Flachproben direkt von Zylinderkurbelgeh{\"a}usen der Serienproduktion entnommen, wodurch am Pr{\"u}fquerschnitt eine raue und unbehandelte Gussoberfl{\"a}che entsprechend dem industriellen Fertigungsprozess vorhanden ist. An diesen Pr{\"u}fk{\"o}rpern werden Konstantschwingversuche f{\"u}r wechselnde und schwellende Zug/Druck- und Biegebeanspruchung durchgef{\"u}hrt. Zur lokalen Bewertung des Einflusses der Oberfl{\"a}chentopographie auf die Erm{\"u}dungsfestigkeit werden zus{\"a}tzlich numerische Analysen auf Basis von Kerbspannungen durchgef{\"u}hrt. Dazu wird mit einem Konfokalmikroskop die Rautiefe und Oberfl{\"a}chenbeschaffenheit der Gussoberfl{\"a}che optisch vermessen. Die auf diese Weise produzierten Datens{\"a}tze erm{\"o}glichen die Erstellung eines Finite-Elementen Modells der Oberfl{\"a}che. Das abgebildete Referenzvolumen wird in der Simulation sowohl auf Zug als auch auf Schub belastet wird. Die dadurch erzielten multiaxialen Spannungsverteilungen zeigen lokale Spannungs{\"u}berh{\"o}hungen in den Rauheitst{\"a}lern der Oberfl{\"a}che, wobei sich, unter Zuhilfenahme des bruchmechanischen Langrissschwellwertes vom defektfreien Material, {\"u}ber das Konzept des kritischen Abstands, schwingfeste Einflussfaktoren bestimmen lassen. Dies erm{\"o}glicht die schwingfeste Bewertung von derartigen Oberfl{\"a}chentopographien unter zyklischer Beanspruchung. Die experimentellen Ergebnisse aus den W{\"o}hlerversuchen werden in weiterer Folge diesen numerisch evaluierten Einflussfaktoren gegen{\"u}bergestellt, wodurch eine vergleichende Erm{\"u}dungsfestigkeitsbewertung technisch unterschiedlich rauer Gussoberfl{\"a}chen erm{\"o}glicht wird. Die in dieser Arbeit aufgebaute Methodik erm{\"o}glicht einen neuartigen Einblick in die Auswirkungen der Oberfl{\"a}chentopographie auf die Lebensdauer gegossener Aluminiumbauteile sowie deren Interaktion mit m{\"o}glichen Defekten in der Randschicht. Des Weiteren k{\"o}nnen fertigungsprozessbedingte Streueffekte von rauen Gussoberfl{\"a}chen bereits fr{\"u}h im Auslegungs- und Dimensionierungsprozess ber{\"u}cksichtigt werden. Dadurch wird gew{\"a}hrleistet, 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 verk{\"u}rzt werden.",
keywords = "aluminium, casting, surface roughness, fatigue strength, Aluminium, Gussbauteil, Oberfl{\"a}che, Betriebsfestigkeit",
author = "Matthias Aigner",
note = "gesperrt bis 08-09-2021",
year = "2016",
language = "Deutsch",

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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 -