Betriebsfestigkeit

Leichtbau durch maximale Werkstoffauslastung bei gleichzeitiger ausreichender Sicherheit gegen Versagen des Bauteils innerhalb der gewünschten Nutzungsdauer

• Belastung
  • konstante Sinusbelastung
  • zufalssartige Belastung
  • mehrkomponentige Belastung
• Umgebung
  • Temperatur
  • korrosive Medien
  • mechanischer Angriff (Verschleiß)
• Bauteilgeometrie
  • Größe
  • Kerbstellen
  • Steifigkeitssprünge
• Werkstoff
  • Festigkeit
  • Zähigkeit
  • Härte
• Fertigung
  • Fügeverbindung
  • Eingenspannungen
  • Oberfläche Randschicht

Ermittlung der exakten Belastung, zur Lebensdauerabschätzung, bei einer gegebenen Beanspruchbarkeit des Bauteils durch Geometrie, Werkstoff  und Fertigung.

• Diagaramm der Beanspruchbarkeit bei konstanter Nennspannungsamplitde und gegebener Lebensdauer.
• Lebensdauer ist statisch verteilt.
• bei Kenntnis der statischen Verteilung: Umwertung der Wöhlerlinie möglich

Zur Abschätzung der Bauteilslebensdauer ist neben der Beanspruchbarkeit auch die einwirkende Belastung erforderlich.

Die lokale Auswertung der am Bauteil angreifenden Belasttung im Sinne der Betriebsfestifkeit ist die Belastung- oder Beanspruchungsanalyse.

• Überführung der realen Last-Zeit-Verläufe in Lastwechsel
• Klassifizierung

• Spannung über Zeit aufgetragen
• Darstellung eines Schwingspiels
• Einteilung in:
  • Druck-Wechsel-Bereich
  • Zug-Wechsel-Breich
  • Zug-Schwell-Bereich

Besteht aus:

• Aufbereiteter Messung der Beanspruchung
• Extrapolation (fiktive Verlängerung der Messzeit)
• Hinzufügen von Sonderereignissen

Das Beanspruchungskollektiv muss im "Leben" des Bauteils ertragen werden.

Betriebslasten und Sonderereigniss sind auslegungsrelevant!

Gegen Missbrauch kann nicht ausgelegt werden.

• Dauerfeste Auslegung
  • Fehler in der Lastannahme besonders schwerwiegend
  • Reale Lebensdauer. 3 Tage
• Im Betrieb wechelndes Antriebsmoment
• Unkenntnis der Torsionseigenschwingung des Bauteils
• Überlagerung der Kerbe aus Passfedernut und Schlagzahl der Teilennummer

rechnerische Lebensdauerabschätzung

• Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren/Miner
• gestuftes Berechnungskollektiv (Beanspruchung) wird der Wöhlerlinie (Beanspruchbarkeit) gegenübergestellt
• keine Informationen zur Reihenfolge der Belastung
• Konzepte:(dabei wird immer von Ermüdung, technischen Anriss und Bruch ausgegangen)
  • Nennspannungskonzept
    • Strukurspannungskonzept
    • Kerbspannungskonzept
  • örtliches (Kerbgrund-) Konzept
  • Bruchmechanikkonzept

experimenteller Lebensdauernachweis

in der Praxis:

• konstante Amplitude ist Ausnahme
• meist regellose Belastung und Beanspruchung
• aber Voraussetzung für das Ziel Wöhlerlinie
  • Lebensdauerabschätzung
  • Beanspruchbarkeit bei variabler Amplitude

• gekerbte, gechweißte Proben, reale Bauteile
• lastgeregelte Versuchführung (Kraft- F_a oder Momentenregelung M_a)
• Beanspruchungen sinf Nennspannungen S_a, -dehungen e_a
• Ergebnis: Bauteilwöhlerlinie N = N(S_a)
• Ausfallkriterium: Anriss oder Bruch oder Steifigkeitsänderung oder Risslange oder Verformungszuwachs oder...

• ungekerbte Proben: 7,5 mm < d < 10 mm; K_t=1,0
• dehungsgeregelte Versuchsführung (Dehung ε_a)
• Beanspruchung sind örtliche Spannungen σ_a und Dehnung ε_a (bei der identischen S_a und e_a)
• Ergebnis: Dehungswöhlerlinie N_A = N_A(ε_a) und Zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve
• Ausflasskriterium. technischer Anriss

• Zufällige Entnahme der Stichprobe aus der Grundgesamtheit
• Feststellung aller Einflüsse auf die Lebensdauer
  • zu untersuchende Einflüsse
  • Ausschaltung unerwüschter Einflüsse
• Versagenskriterium festlegen
  • Anriss
  • Bruch
  • Risslänge
  • zulässige Verformung
• Einschätung zu Möglichkeiten und Grenzen des Versuchsumfangs
  • größerer Umfang ► steigende Genauigkeit der Aussage, aber steigende Kosten und Zeit
•  

Versuchskosten enorm!

Versuchsdokumentation muss möglichst vollständig sein !

• Probenbeschreibung und Probenfertigung
• Belastungsart: Zug-Druck, Torsion, Biegung
• Spannungsverhältnis R, Mittelspannung S_m
• Prüffrequenz
• Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Umgebungsmedium)
• Prüfmaschine (Genauigkeit, Kalibrierung)
• Versagenskriterium