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2017 | Buch

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Optimierung von Eigenspannungszuständen an Zylinderköpfen von PKW-Dieselmotoren mit Hilfe der Simulation

verfasst von: René Richter

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : AutoUni – Schriftenreihe

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

René Richter beschreibt, wie man die optimalen Parameter im Abschreckprozess einer Wärmebehandlung feststellt. Er zeigt, dass Eigenspannungen zugunsten der Bauteilfestigkeit eingesetzt werden können. Dazu berechnet der Autor mittels Kombination aus CFD- und FEM-Berechnungen Temperaturfelder und Eigenspannungen im Zylinderkopf, die sich während des Wärmebehandlungsprozesses einstellen, und überlagert zur Optimierung dieses Zustandes die Ergebnisse mit berechneten Lastspannungen. Durch Variation ausgewählter Parameter des Abschreckprozesses erhält Richter eine Funktion des Spannungszustandes, die verschiedene Überlagerungen von Spannungszuständen widerspiegeln kann. Sein Ziel ist das Optimum dieser Funktion, bei dem sich ein günstiger Eigenspannungszustand im Zylinderkopf einstellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Chapter 1. Einleitung
Zusammenfassung
Die Automobilindustrie befindet sich in einem Prozess, nachhaltig auf das Thema der Treibhausgas- und Schadstoffemission einzugehen. Ansatzpunkte zum Erreichen der gesetzlichen, aber auch selbst gesteckten Ziele zur Reduzierung der Emissionen sind unter anderem das sogenannte Downsizing und die Gewichtsreduktion des Gesamtfahrzeuges. Downsizing bedeutet, dass durch Verkleinerung des Hubvolumens bei gleichbleibender oder abnehmender Zylinderanzahl die effektive Leistung gleich bleibt oder sogar gesteigert wird.
Renè Richter
Chapter 2. Theoretische Vorbetrachtungen
Zusammenfassung
Leistungsstarke Motoren mit hohen Drehzahl- und Leistungsgradienten erfreuen sich einer großen Kundenbeliebtheit. Doch die scheinbare Verknappung der Rohstoffe und eine immer strenger werdende Gesetzgebung hinsichtlich Emissionsgrenzen, sind ein Grund für die Notwendigkeit der Entwicklung und Verbesserung von Motorkonzepten. Hierbei darf der Kundenwunsch nach hoher Leistung und Dynamik des Antriebsaggregates nicht vernachlässigt werden.
Renè Richter
Chapter 3. Eingangsversuche
Zusammenfassung
Der Aufbau eines Temperaturberechnungsmodells für die Wärmebehandlung von Zylinderköpfen setzt voraus, dass die Randbedingungen hinreichend genau bekannt sind. Hierzu zählen geometrische Gegebenheiten der Umgebung (speziell das Abschreckbecken) sowie Temperatur-Zeit-Verläufe. Die hier beschriebenen Zylinderköpfe werden einer T6-Wärmebehandlung unterzogen. Wie bereits in Kapitel 2.5 beschrieben, setzt sich die T6-Wärmebehandlung aus den 3 Teilabschnitten Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern zusammen.
Renè Richter
Chapter 4. Simulation des Temperaturfeldes im Abschreckprozess
Zusammenfassung
Die Simulation von Eigenspannungen bietet Entwicklern die Möglichkeit, neue Bauteilvarianten und Parameteränderungen schnell und kostengünstig zu berechnen und Aussagen über die Beanspruchung und Beanspruchbarkeit eines Bauteils zu erhalten. Hierbei werden die Erfahrungen der Entwickler mit einer Berechnungssoftware gepaart, die den klassischen Versuch in eine virtuelle Ebene hebt. Der Umfang an Hardwareversuchen wird somit auf ein Minimum reduziert und dient lediglich stichpunktartig zum Verifizieren von Berechnungsergebnissen.
Renè Richter
Chapter 5. Simulation der Eigenspannung im Zylinderkopf
Zusammenfassung
Die Berechnung der Eigenspannungen im Zylinderkopf setzt sich aus 3 Teilabschnitten des Fertigungsprozesses zusammen. Vor Beginn der Berechnung wird das Bauteil als eigenspannungsfrei angenommen und es erfolgt im ersten Abschnitt das Berechnen der Eigenspannung infolge des Temperaturprofils während des Abschreckens. Im zweiten Abschnitt erfolgt das Warmauslagern und die damit verbundene Relaxation der Eigenspannungen.
Renè Richter
Chapter 6. Simulation der Beanspruchung des Zylinderkopfes
Zusammenfassung
Die mechanische Beanspruchung des Zylinderkopfes setzt sich aus zwei maßgebenden Fertigungs- und Montageschritten zusammen. Zum einen erfolgt eine Beanspruchung durch die Zusammenführung von Einzelteilen zum mechanischen Zusammenbauteil (ZSB-mechanisch) und zum anderen wird der Zylinderkopf durch die Montage von weiteren Komponenten sowie das Verschrauben mit dem Zylinderkurbelgehäuse beansprucht. All diese eingebrachten Spannungen führen, wie auch der Eigenspannungszustand, zu einer Veränderung des Mittelspannungsniveaus bei einer wechselnden Beanspruchung im verbrennungsmotorischen Betrieb.
Renè Richter
Chapter 7. Optimierung des Eigenspannungzustandes
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Spannungsberechnungen einer Optimierungsfunktion zugeführt und ausgewertet. Unter Optimierung versteht man ein Gebiet der angewandten Mathematik, das sich mit dem Finden optimaler Parameter eines Systems beschäftigt. Als “optimal“ wird dabei das Maximum oder Minimum einer Zielfunktion bezeichnet.
Renè Richter
Chapter 8. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
Das schrittweise Überführen von Versuchen an realen Bauteilen in eine virtuelle Berechnungsumgebung zeigt eine Vielzahl von Vorteilen. Die Berechnung ist ein optimales und schnelles Hilfsmittel zur Erkenntnisgewinnung. Man erhält die Möglichkeit, in das Bauteil hinein zu sehen, Parameter zu ändern und deren Einflüsse zu analysieren.
Renè Richter
Backmatter
Metadaten
Titel
Optimierung von Eigenspannungszuständen an Zylinderköpfen von PKW-Dieselmotoren mit Hilfe der Simulation
verfasst von
René Richter
Copyright-Jahr
2017
Electronic ISBN
978-3-658-17111-7
Print ISBN
978-3-658-17110-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-17111-7

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