Betriebsfestigkeit

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Kapitel 1. Einleitung

   Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

   Zusammenfassung

   Der Festigkeitsnachweis von Konstruktionen und Bauteilen gehört zu den Grundaufgaben des Ingenieurs. Er muss nachweisen, ob ein Bauteil allen im Lebenszyklus auftretenden Belastungen mit ausreichender Sicherheit versagensfrei standhält. Dem gegenüber steht die ökonomische Forderung nach geringen Kosten bei der Herstellung und insbesondere im Automobilbau nach leichten Konstruktionen.

3. Grundlagen

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 2. Schwingfestigkeit

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Das Gebiet der Schwingfestigkeit beschäftigt sich mit der Festigkeit von Bauteilen unter zyklischer Beanspruchung mit konstanten Amplituden. Es bildet damit die Grundlage für die weiteren Themen der Betriebsfestigkeit. Dieses Kapitel stellt die wichtigsten Begriffe und Zusammenhänge dar, die im weiteren Verlauf des Buches benötigt werden.

   3. Kapitel 3. Einflüsse auf die Schwingfestigkeit und deren Abschätzung

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Der Betriebsfestigkeitsnachweis für Bauteile kann unter Verwendung einer experimentell ermittelten Bauteilwöhlerlinie oder einer abgeschätzten synthetischen Wöhlerlinie erfolgen. Im ersten Fall werden Bauteile möglichst im Einbauzustand und unter Einsatzbedingungen geprüft, so dass alle relevanten Einflüsse auf die Schwingfestigkeit enthalten sind. Bei der Abschätzung von Bauteilwöhlerlinien wird meist die statische Festigkeit des Werkstoffs, beispielsweise die Zugfestigkeit, als Ausgangspunkt verwendet.

   4. Kapitel 4. Statistische Grundlagen

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Aufgrund der Streuung der Schwingfestigkeit basieren die Methoden der Betriebsfestigkeit auf statistischen Verfahren. Die dafür erforderlichen Grundlagen werden im Folgenden erklärt, wobei diese Einführung auf das Notwendige beschränkt bleibt und auf Herleitungen sowie die Beschreibung der theoretischen Hintergründe weitgehend verzichtet wird. Für tiefer gehende Betrachtungen werden z. B. folgende Bücher empfohlen: [5, 11, 13, 39, 60, 61, 62].

   5. Kapitel 5. Lastannahme

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Die Schwingfestigkeit in Kapitel 2 beinhaltet die Beanspruchbarkeit eines Werkstoffs oder Bauteils unter schwingender Beanspruchung, d. h. unter konstanter Amplitude. Allerdings ist eine rein schwingende Beanspruchung von Bauteilen eher die Ausnahme. Häufig treten, z. B. aufgrund verschiedener Betriebszustände einer Maschine, Beanspruchungen mit unterschiedlichen Amplituden auf.

   6. Kapitel 6. Bauteilbeanspruchung

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Die in diesem Buch vorgestellten spannungsbasierten Konzepte der Betriebsfestigkeit sind eng miteinander verwandt. Sie unterscheiden sich zum einen in der Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie und zum anderen in der verwendeten Beanspruchungsgröße. Letzteres ist eher eine formale Unterscheidung, da sämtliche Spannungen elastisch berechnet werden und daher über einen Faktor ineinander umrechenbar sind.

4. Festigkeitsnachweise

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 7. Rechnerischer Statischer Festigkeitsnachweis

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Mit dem statischen Festigkeitsnachweis wird die Sicherheit statisch beanspruchter Bauteile gegen Gewaltbruch oder unzulässig große plastische Verformungen nachgewiesen. Er ist auch stets in Verbindung mit dem Betriebsfestigkeitsnachweis und beim Dauerfestigkeitsnachweis mit σ_m ≠ 0 zu führen. In diesem Fall dient er zur Absicherung gegen die Maximalspannung der Last-Zeit-Folge und wenn notwendig gegen Sonderlasten, Überlastfälle oder ungünstige Betriebszustände . Wird der statische Nachweis zusammen mit dem Betriebsfestigkeitsnachweis geführt, ist der Nachweis mit der höchsten Auslastung bzw. der geringsten Sicherheit entscheidend.

   3. Kapitel 8. Rechnerischer Dauerfestigkeitsnachweis

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Mit dem Dauerfestigkeitsnachweis wird ein variabel belastetes Bauteil für eine sehr große Lebensdauer ausgelegt. Dies unterscheidet ihn vom Zeit- und Betriebsfestigkeitsnachweis, denn dort erfolgt die Auslegung für eine bestimmte zu erreichende Lebensdauer. Der Dauerfestigkeitsnachweis ist damit im Bezug auf das Ergebnis dem statischen Festigkeitsnachweis ähnlich, da mit beiden die Festigkeit eines Bauteils formal ohne Lebensdauerbegrenzung nachgewiesen wird.

   4. Kapitel 9. Rechnerischer Betriebsfestigkeitsnachweis

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Das eigentliche Ziel der Betriebsfestigkeit ist die Lebensdauerabschätzung, also die Ermittlung der Lebensdauer eines Bauteils unter der Beanspruchung mit veränderlichen Amplituden. Als Grundlage dafür wird die Bauteilwöhlerlinie benötigt, welche die Lebensdauer eines Bauteils unter zyklischer Beanspruchung mit konstanten Amplituden abhängig von der Beanspruchungsamplitude angibt. Zur Bewertung von veränderlichen Amplituden bedarf es zusätzlich noch einer Hypothese zur Schadensakkumulation.

   5. Kapitel 10. Experimenteller Festigkeitsnachweis

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Die experimentelle Ermittlung von Bauteilwöhlerlinien oder auch der rein experimentelle Betriebsfestigkeitsnachweis ist nach wie vor von großer Bedeutung. Nur damit ist im Unterschied zu den bisher vorgestellten rechnerischen Verfahren eine abgesicherte Aussage über Mittelwert und Streuung der Festigkeit möglich. Dies ist insbesondere bei Großserien notwendig. Auch wenn im Entwicklungsprozess häufig nur der rechnerische Festigkeitsnachweis (z. B. beim Vergleich von Konstruktionsvarianten) zum Einsatz kommt, erfolgen am fertigen Produkt zumindest experimentelle Freigabeprüfungen.

5. Anhang

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 11. Bruchmechanische Grundlagen

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Die nachfolgend dargestellten Zusammenhänge liefern nur einen groben Einblick in die Bruchmechanik, insoweit sie für das Verständnis der vorangegangenen Kapitel von Belang sind oder direkt daran anknüpfen. Von der zahlreichen Fachliteratur, die einen tiefergehenden Einblick in das Thema bieten, können z. B. die Bücher von Gross/Seeling [18] und Anderson [1] empfohlen werden. Einen besonderen Fokus auf Ermüdungsrisse haben die Bücher von Radaj/Vormwald [54] und Richard/Sander [56]. Außerdem wird bei Kuna [35] speziell auf die Anwendung der FEM für bruchmechanische Berechnungen eingegangen.

   3. Kapitel 12. Grundzüge des elastisch-plastischen Kerbgrundkonzepts

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Das Kerbgrundkonzept basiert auf dem Ermüdungsverhalten des Werkstoffs und verwendet nur Kennwerte aus einachsig beanspruchten Werkstoffproben, ohne dass Bauteilversuche notwendig sind. Für den Nachweis wird der elastisch-plastische Verlauf der Spannungen und Dehnungen am Nachweispunkt des nachzuweisenden Bauteils ermittelt und den ertragbaren Spannungen und Dehnungen des Werkstoffs gegenübergestellt. Dieser Beanspruchungsverlauf wird anhand einer konkreten Last-Zeit-Folge und des zyklischen Materialverformungsverhaltens berechnet.

   4. Kapitel 13. Erfahrungswerte zur Streuung der Schwingfestigkeit

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Erfahrungswerte zur Streuung der Schwingfestigkeit, Streuung der Zeitfestigkeit nach Haibach und Adenstedt.

   5. Kapitel 14. Ergebnisse der Aufgaben

      Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

      Zusammenfassung

      Ergebnisse der Aufgaben.

6. Backmatter