Forschung

Schwingfestigkeit von Kurbelwellen

Damit Kurbelwellen von Fahrzeugen die notwendige Schwingfestigkeit aufweisen, werden ihre Randschichten speziell nachgearbeitet. Durch das Festwalzen der kritischen Radien der Kurbelwellen kann deren Festigkeit verdoppelt werden. Der Effekt der Steigerung der Dauerfestigkeit gegenüber dem ungewalzten Zustand beruht darauf, dass potenziell schädliche Risse im Tiefenbereich des Druckeigenspannungsmaximums nicht weiterwachsen (Rissstopp). Das im Projekt entwickelte Bewertungsverfahren basiert sowohl auf der FE-Simulation des Festwalzprozesses zur Ermittlung der Eigenspannungen als auch auf deren bruchmechanischen Bewertung. Im Fokus der Untersuchungen standen der Vergütungsstahl 42CrMo4 V, der ausscheidungshärtende ferritischperlitische Stahl 38MnVS6 BY sowie Gusseisen mit Kugelgraphit GJS700. Die Abweichung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Schwingfestigkeitswerten betrug unter Biegebelastung –10 bzw. +7 Prozent und unter kombinierter Biege- und Torsionsbelastung –12 bzw. +8 Prozent.

» Wir konnten zeigen, dass eine rechnerische Abschätzung der Dauerfestigkeit von festgewalzten Bauteilen durch Simulation und bruchmechanische Bewertung möglich ist. «
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe (MPA-IfW | TU Darmstadt)

Motivation

Kurbelwellen im Verbrennungsmotor sind so ausgelegt, dass sie hohe Schwingungsbeanspruchungen bewältigen können. Dazu kommen Randschichtverfestigungsverfahren zum Einsatz. Durch dieses Festwalzen der kritischen Radien der Kurbelwellen lassen sich im Vergleich zum ungewalzten Zustand Festigkeitssteigerungen von bis zu über 100 Prozent erzielen. Um die Dauerfestigkeit typischer Kurbelwellen-Werkstoffe bewerten zu können, sind umfassende Kenntnisse z.B. zu deren Eigenspannung und Bruchmechanik erforderlich.

Methodik

Die Anwendung von Methoden der Werkstoffcharakterisierung und -modellierung, der Eigenspannungsberechnung und -messung, der Anrissdetektion und der Bruchmechanik erfolgte am Beispiel von kurbelwellenähnlichen Proben aus ausscheidungshärtendem, ferritischperlitischem Stahl 38MnVS6 BY und Gusseisen mit Kugelgraphit GJS700. Das daraus abgeleitete Bewertungsverfahren basiert sowohl auf der FE-Simulation des Festwalzprozesses zur Ermittlung der Eigenspannungen als auch auf deren bruchmechanischen Bewertung. Anhand einer Serienkurbelwelle aus Vergütungsstahl 42CrMo4 V wurde das Verfahren auf Praxistauglichkeit getestet.

Ergebnis

Der Wirkmechanismus des Festwalzprozesses ist auf die Bildung von Druckeigenspannungen in der Randschicht zurückzuführen. Die FE-basierte Methodik zur Bewertung der Festwalzeigenspannungen mithilfe der linear-elastischen Bruchmechanik berücksichtigt die Tatsache, dass das Eigenspannungsfeld ein mögliches Risswachstum behindert und zum Rissstopp führt. Die Abweichung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Schwingfestigkeitswerten betrug unter Biegebelastung –10 bzw. +7 Prozent und unter kombinierter Biege- und Torsionsbelastung –12 bzw. +8 Prozent. Mit diesem Bewertungsmodell steht ein praxistaugliches Werkzeug zur Auslegung von dauerfesten Kurbelwellen zur Verfügung.

Dokumentation

Dauerfestigkeit I | Dauerfestigkeitskriterien von festgewalzten Stahlkurbelwellen | Vorhaben-Nr. 913 | AiF-Fördernummer 14861 N

Dauerfestigkeit II | Bewertung der Schwingfestigkeit von festgewalzten Kurbelwellen unterschiedlicher Werkstoffe | Vorhaben-Nr. 1079 | AiF-Fördernummer 16675 N

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentlich gefördert

Fördersumme
972.350,00 EUR

Laufzeit
01.08.2006 bis 30.11.2011 Teil I
01.08.2011 bis 31.10.2014 Teil II

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V.

Bayenthalgürtel 23
50968 Köln
Deutschland

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Deutschland

Industrie

Dr.-Ing. Rachid Nejma
Daimler AG

Forschungsstellen

1 | Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) | Technische Universität Darmstadt

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. Gilles Desmond Fomen

2 | Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM) | Technische Universität Darmstadt

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz

Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. Christian Diefenbach

Technische Universität Darmstadt

Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)

Magdalenenstr. 4
64289 Darmstadt
Deutschland

Technische Universität Darmstadt

Zentrum für Konstruktionswerkstoffe/Institut für Werkstoffkunde (IfW) | Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA)

Grafenstr. 2
64283 Darmstadt
Deutschland

Stellv. Geschäftsführer

Martin Nitsche

FVV
+49 (0) 69 6603 1345
+49 (0) 69 6603 2345

Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345