GPE Vorlesung 07 Schaeden SS07

Grundlagen der ProduktentwicklungSchden im Maschinenbau

SS 07 Vorlesung 07 01.06.2007

P f D I Ud Li dProf. Dr.-Ing. Udo LindemannLehrstuhl fr Produktentwicklung

Freitag 12:15 13:45 Uhr MW 2001Freitag 12:15-13:45 Uhr, MW 2001

Sprechstunde Prof. Lindemann Donnerstag, 11:00-12:00 Uhrund nach Vereinbarung bitte anmelden!und nach Vereinbarung bitte anmelden!

GPE_VO_07 SS07 - 1 2007 Prof. Lindemann

Gliederung GPE

01 Einfhrung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System Systemdenken 11.05.0705 M d lli S t 18 05 0705 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schden im Maschinenbau 01 06 0707 Schden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bauteilfestigkeit 15.06.07g10 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.07.07


Schden im Maschinenbau

Einfhrungsbeispiel

SchadenartenSchadenarten

1. Versagen durch mechanische Beanspruchung2. Verschlei3. Korrosion4. Sonstige Schden

Schadenverhtung

Zusammenfassung


Einfhrungsbeispiel: Wellenbruch einer Kraftwerksturbine

Kernkraftwerk: Anlage zur Gewinnung von elektrischerKernkraftwerk: Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie durch Kernspaltung

Dampfturbine: Aggregat im Kraftwerk zur Wandlung von Wrmeenergie (Wasserdampf) in mechanischevon Wrmeenergie (Wasserdampf) in mechanische Energie (Rotation der Rotorschaufeln)

Schadensfall: Bruch der Turbinenwelle im Turnbetrieb


Einfhrungsbeispiel: Erklrung und Lsung des Problems

Ursachen des SchadensUrsachen des Schadens Bei Volllast: Fliehkrfte auf die Schaufelrder wirken den Spannungen durch den

Presssitz entgegenIm Turnbetrieb: keine Fliehkrfte vorhanden Spannungen durch den Presssitz Im Turnbetrieb: keine Fliehkrfte vorhanden, Spannungen durch den Presssitz kommen voll zur Geltung

Spannungsspitzen im Wellenbergang verantwortlich fr Dauerbruch Konstruktive Manahme zur Schadensvermeidung

Entlastungskerbe zur Aufhebung der Spannungsspitze

SchaufelSchaufel

Welle (Lufer)

Welle ohne Entlastungskerbe Welle mit Entlastungskerbe

Welle (Lufer)

GPE_VO_07 SS07 - 5

(Prinzipdarstellung) (Prinzipdarstellung)

2007 Prof. Lindemann


Einfhrungsbeispiel



Schadenverhtung

Zusammenfassung


Begriffsdefinitionen

Logik von Schadenablufen

Schadenerscheinung Risse= Beanspruchungen Lockerung

Schadenart

Logik von Schadenablufen

Schadenbild Risse Brche Abtragungen

= Beanspruchungen mechanisch thermisch

Lockerung Unwucht Undichtigkeit

Bl ki Anfressungen Verfrbungen Gefgebeeinflussungen

elektrolytisch-korrosiv hochtemperatur-korrosiv tribologisch

Blockieren Loslsen Zerbersten

Gefgebeeinflussungen etc.

tribologisch etc.

etc.

S h d f P i i S h d t b S h d bild mechanischer Schaden: Bruchformen

Torsionsgewaltbruch

Schadenform = Przisierung von Schadenart bzw. Schadenbild elektrolytische Korrosion: Korrosionsformen

linienfrmiger WerkstoffabtragTorsionsgewaltbruch Umlaufbiegedauerbruch etc.

linienfrmiger Werkstoffabtrag lochfrmiger Werkstoffabtrag etc.

GPE_VO_07 SS07 - 7 2007 Prof. Lindemann Quelle: Schmitt-Thomas 2005, S. 53-54

Ursache-Wirkungszusammenhang bei Schden

Beispiel: Verkehrsunfall eines MotorrollersBeispiel: Verkehrsunfall eines MotorrollersSituation: schwerer Unfall kurz nach Reparatur

(B iti i l S i l

Schadensablauf: unzulssig hohe Kerbspannung aufgrund

G i d fh D i (A)(Beseitigung von axialem Spiel am Hinterrad)

Trennbruch der hinteren Achswelle

Gewindeausfhrung Daueranriss (A) Erhhung der Befestigungsspannungen

bei Reparatur rasches Weiterwachsen d A i (B)Schadenanalyse:

Bruch im ersten tragenden Gewindegang drei Bruchbereiche:

des Anrisses (B) Restquerschnitt nicht mehr den Be-

dingungen gewachsen Restbruch (C)drei Bruchbereiche: Bereich A: Daueranriss Bereich B: Wechselbeanspru-

chungsbruch

A

Bchungsbruch Bereich C: zher Gewaltbruch

nicht normgerechte Ausfhrung des

B

C

Gewindegrunds

Fazit: Fehler in Gestaltung & Ausfhrung des Bauteils als Auslser fr Primrschaden!

GPE_VO_07 SS07 - 8

Fazit: Fehler in Gestaltung & Ausfhrung des Bauteils als Auslser fr Primrschaden!

2007 Prof. Lindemann Quelle: Schmitt-Thomas 2005, S. 56-58


Einfhrungsbeispiel



Schadenverhtung

Zusammenfassung


Versagen durch mechanische Beanspruchung: Brucharten

Brche durch einmalige mechanische berbelastung (Gewaltbrche) Brche durch einmalige mechanische berbelastung (Gewaltbrche) zhe Gewaltbrche sprde Gewaltbrche

Brche durch Wechselbelastung (Schwingbrche, Dauerbrche)Zug, Druck, Biegung, Torsion jeweils schwingend

B h t th i h B h t t li h

mit duktilem Restgewaltbruch mit sprdem Restgewaltbruch

Brche unter thermischer Zusatzbeanspruchung

Warmsprdbrche

Brche unter zustzlichen Medieneinflssen

Spannungsrisskorrosion Kriechbrche Thermowechselrisse Thermoschockrisse

Schwingungsrisskorrosion Wasserstoffinduzierte Brche Flssigmetallversprdung Thermoschockrisse

Wrmespannungsrisse Flssigmetallversprdung

(Ltbrchigkeit)

GPE_VO_07 SS07 - 10 2007 Prof. Lindemann Quelle: Schmitt-Thomas 2005, S. 96-98

Bruchformen im statischen Lastfall (Gewaltbruch)

GPE_VO_07 SS07 - 11 2007 Prof. Lindemann Quelle: Schmitt-Thomas 2005, S. 101

Erscheinungsform von Dauerbrchen

GPE_VO_07 SS07 - 12 2007 Prof. Lindemann Quelle: Schmitt-Thomas 2005, S. 111

Beispiel: Schwingungsbrche bei Axialverdichtern

Schaden:Schaden: Bruch von Laufschaufeln eins AxialverdichtersSchadenursachen:

f f Resonanzschwingungen der Laufschaufeln Schwingungserregung gefrdert durch:

Strmungsabrisse an den Laufschaufelng Streuungen der Resonanzfrequenz durch

Teilfugen, Sttzrippen und Abblaseventile Fertigungs- und montagebedingte Streuungen Axialverdichter-LaufschaufelnFertigungs und montagebedingte Streuungen

der Resonanzfrequenz Abfall der Biegewechselfestigkeit unter Einwirkung

von Elektrolytenvon ElektrolytenManahmen zur Schadenvermeidung: Ermittlung der Streuung von Eigenfrequenzen durch

S hl d bSchleuderprobe Bercksichtigung der niedrigeren Biegewech-

selfestigkeit bei festigkeitsmiger Auslegung Schwingungsbruchflche

GPE_VO_07 SS07 - 13 2007 Prof. Lindemann Quelle: Allianz Versicherungs-AG 1984, S. 401

Beispiel: Flankenbruch einer Verzahnung

Schaden:Schaden: Zwischenstufe eines 1,5 MW-Getriebes einer

Windenergieanlage Flankenbruch nach 10000 Betriebsstunden Flankenbruch nach 10000 Betriebsstunden

Schadenurschachen: Verzahnung mit niedrigerer Flankensicherheit

ausgefhrt Reinheitsgrad des Werkstoffs an der unteren

zulssigen Grenze hochdynamische Belastungsverhltnisse im

Betrieb bei Windenergieanlagen Manahmen zur Schadenvermeidung:Manahmen zur Schadenvermeidung: Auslegung mit hheren Sicherheiten Bercksichtigung der tatschlichen Belastung

bei der Bauteildimensionierungbei der Bauteildimensionierung Betrachtung des dynamischen Gesamtsystems Ritzel einer Getriebe-Zwischen-

stufe mit Flankenbrchen

GPE_VO_07 SS07 - 14 2007 Prof. Lindemann Quelle: Allianz Report 2004


Einfhrungsbeispiel



Schadenverhtung

Zusammenfassung


Begriffsdefinitionen

Definition von Verschlei nach DIN 50320Definition von Verschlei nach DIN 50320 fortschreitender Materialverlust aus der Oberflche eines festen Krpers hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. Kontakt und Relativbewegung eines

festen flssigen oder gasfrmigen Gegenkrpers (tribologische Beanspruchung)festen, flssigen oder gasfrmigen Gegenkrpers (tribologische Beanspruchung)

Einflussgren auf den Verschlei VerschleimechanischenEinflussgren auf den Verschlei Grundkrper (Werkstoff, Form, Oberflche) Zwischenstoff (Art, Teilchengre etc.)

Verschleimechanischen Adhsion Abrasion

Gegenkrper (Werkstoff, Form, Oberflche) Belastung (Gre, zeitlicher Verlauf) Art der Bewegung (Gleiten, Rollen, Wlzen,

Oberflchenzerrttung tribochemische Reaktion

g g ( , , ,Stoen, Prallen etc.)

umgebende Atmosphre (Luft, Schutzgas, Vakuum etc.)

Tribologie: Fachgebiet, das sich mit Reibungs- und Verschlei-Vakuum etc.)

Temperatur (Hhe, zeitlicher Verlauf)mit Reibungs- und Verschlei-vorgngen beschftigt.

GPE_VO_07 SS07 - 16 2007 Prof. Lindemann Quelle: Dubbel 2001, E 84 ff.

Verschleiarten bersicht

GPE_VO_07 SS07 - 17 2007 Prof. Lindemann Quelle: Dubbel 2001, E 85

Beispiel: Verschlei bei Wlzlagern

Schaden:Schaden: Pendelrollenlager eines schrg verzahnten

Planetenrads in 1,5 MW-Getriebe einer WindenergieanlageWindenergieanlage

einseitige Laufbahnschlung nach 10000 Betriebsstunden

S h d hSchadenursachen: erhhte axiale Belastung des Lagers durch

Kraftspitzen im Betrieb bei Windenergie-lanlagen

dnner Schmierfilm aufgrund unzureichender Wrmeabfuhr

Manahmen zur Schadenvermeidung: Dimensionierung der Lagergren auf erhhte

dynamische Belastung in Windenergieanlageny g g g Einsatz von hydrostatischen Gleitlagern

Innenring eines Pendelrollenlagers mit Laufbahnschlung

GPE_VO_07 SS07 - 18

g

2007 Prof. Lindemann Quelle: Allianz Report 2004

Beispiel: Verschlei bei Verbrennungsmotoren

Schaden:Schaden: 370 kW Dieselmotor als Energie-

versorgung einer Seilbahnstation (ca 2500 m NN)(ca. 2500 m NN)

Kolbenfresser, vllig zerstrte Kolben, Pleuel und Motorgehuse

f i h F l hd umfangreiche FolgenschdenSchadenursache: Abkhlung von Schmier- und Khlmittel

auf fast Auentemperatur unzureichende Schmierung und Khlung trotzdem Betrieb: schnelles Anlaufen und zwei vllig zerstrte Kolben und ein trotzdem Betrieb: schnelles Anlaufen und

schnelle volle Leistungsabgabe

Manahmen zur Schadenvermeidung:

e g e st te o be u d ePleuel des Dieselmotors

Elektrische Heizung zur Vorwrmung des Khl- und Schmiermittels diese Mglichkeit bereits vom Hersteller vorgesehen: Dieselmotor jedoch einzige

Energiequelle, daher keine Vorwrmung mglich

GPE_VO_07 SS07 - 19

e g eque e, da e e e o u g g c

2007 Prof. Lindemann Quelle: Allianz Versicherungs-AG 1984, S. 471-472


Einfhrungsbeispiel



Schadenverhtung

Zusammenfassung


Korrosionsarten

GPE_VO_07 SS07 - 21 2007 Prof. Lindemann Quelle: Pahl, Beitz 2005, S. 390

Korrosion von Werkstoffen Beispiele

Oberflchenkorrosion Spannungsrisskorrosion Korngrenzenkorrosion


Beispiel: Korrosion bei GasturbinenSchaden:Sc ade Hochtemperaturkorrosion an Gasturbinenschaufeln Ablagerungen auf den Schaufeln

Z t d ht d O id hi ht d Zerstrung der schtzenden Oxidschicht des Werkstoffs

Absenkung der Nutzleistung und berhitzung khlt T bi b t ilgekhlter Turbinenbauteile

Schadenursachen: chemische Reaktionen von Turbinenschaufel-

werkstoff mit Verunreinigungen in der Ansaugluft oder des Brennstoffes

Schadenvermeidung:g Reinigung von Brennstoff und Ansaugluft (Filter) Additive zum Brennstoff widerstandsfhigere Werkstoffe widerstandsfhigere Werkstoffe

Hochtemperaturkorrosion an Turbinenschaufeln

GPE_VO_07 SS07 - 23 2007 Prof. Lindemann Quelle: Allianz Versicherungs-AG 1984, S. 352-357

Beispiel: Bruch einer Ventilatorschaufel

Schaden:Schaden: Fu einer Ventilatorschaufel aus einer

RauchgasreinigungsanlageSchaufelbruch Schaufelbruch

Schadenursachen: Bruch ausgehend von Korrosionsgrube

(Kerbwirkung) herabgesetzte Zeitschwingfestigkeit g g g

Manahmen zur Schadenvermeidung:Manahmen zur Schadenvermeidung: kontinuierliche Reinigung der Schaufel z. B. mit Wasserdampf Herabsetzung der Schwingungsbelastungen (Drehzahl) andere Auslegung der Schaufelform (Dicke, Resonanzfrequenz) bessere Werkstoffveredelung

GPE_VO_07 SS07 - 24 2007 Prof. Lindemann Quelle: Allianz


Einfhrungsbeispiel



Schadenverhtung

Zusammenfassung


Beispiel: Gelste Schrauben

Schaden:Schaden: Beschdigung der Laufschaufeln eines

Radialverdichters durch gelste SchraubenSchrauben

Schadenursache: Mangelhafte Montage: Mutter mit zu

h h V h btschwacher Vorspannung angeschraubt Betrieb: Mutter durch Schwingungen

gelst und eingesaugtManahmen zur Schadenvermeidung: besondere Prfung bei Erst-

inbetriebnahme im Ansaugbereich beschdigte Laufschaufeln eines Prfung auf lose Teile Prfung, dass alle Teile ordnungsgem

gesichert sind

Radialverdichterrades

Gestaltung nach dem fail-safe-Prinzip

GPE_VO_07 SS07 - 26 2007 Prof. Lindemann Quelle: Allianz Versicherungs-AG 1984, S. 408


Einfhrungsbeispiel



Schadenverhtung

Zusammenfassung


Beispiel Schnappverbindungen

Feste Verbindungen zwischen BauteilenFeste Verbindungen zwischen Bauteilen Arten fester Verbindungen: stoffschlssig, kraftschlssig, formschlssig Beispiele: Schweiverbindung, Schraubverbindung, Schnappverbindung etc.

M bli h K it i f di W hl d V bi d t t ti h d d i h Magebliche Kriterien fr die Wahl der Verbindungsart: statische und dynamische Betriebskrfte, geringe Kosten, automatisierte Montage, einfacher Fgeprozess etc.

SchnappverbindungenSchnappverbindungen Fgen durch federndes Einspreizen

(Einschnappen bzw. Einrasten) Sperrung des Richtungssinns entgegen

der Fgerichtung durch Formschluss berwindung des Formschlusses

whrend des Fgevorgangs ber einen Keileffekt entgegen einer Federkraft

Schnapper: Formteil der Verbindung, pp gwelches sich federnd auslenkt

GPE_VO_07 SS07 - 28 2007 Prof. Lindemann Quelle: Schlter 1994, S. 19

Manahmen zur Schadenverhtung am Beispiel von Schnappern

Ziel: Sichere Montage (speziell: kein Schaden beim Montageprozess!)Ziel: Sichere Montage (speziell: kein Schaden beim Montageprozess!)

Einflussgren auf den Montageprozess Schnapper-Werkstoff Gre des Schnappers Fgewinkel Ausrichtung der Fgepartner Ausrichtung der Fgepartner Fgegeschwindigkeit etc. Erfahrung Berechnung

Schadenverhtung durch Erfahrung Erfahrung Berechnung Simulation

Simulation Versuch

Versuche


Erfahrung

Schadenfall Head-On-CrashSchadenvermeidung durch Erfahrung Schadenfall Head On Crash Beim Fgen setzt die plane Frontseite

des Schnappers auf.Der Fgevorgang ist dadurch behindert

Schadenvermeidung durch Erfahrung Gestaltungsrichtlinien (Design for X),

z. B. montagegerechtes GestaltenGut /Schlecht Beispiele (ungnstige vs Der Fgevorgang ist dadurch behindert.

Der Schnapper verbiegt sich und bricht. Gut-/Schlecht-Beispiele (ungnstige vs.

optimierte Ausfhrung des Bauteils)

Konstruktive Mglichkeiten zur Verminderung der Head-On-Crash-Gefahr


Berechnung

1

2 3 4

GPE_VO_07 SS07 - 31 2007 Prof. Lindemann Quelle: Schlter 1994, S. 70-71

Simulation FEM-Analyse

Die Finite Elemente Methode (FEM) ist eine Nherungsberechnung mithilfe einesDie Finite Elemente Methode (FEM) ist eine Nherungsberechnung mithilfe eines Computers.

Das Bauteil wird hierfr in kleine Elemente (Finite Elemente) unterteilt.( ) Diese Elemente besitzen einfache Geometrien, fr die jeweils relativ einfache

Zustandsgleichungen aufgestellt werden knnen. Die Elemente werden ber ihre Knotenpunkte miteinander verknpftDie Elemente werden ber ihre Knotenpunkte miteinander verknpft. Die einzelnen Zustandsgleichungen mit ihren Unbekannten werden zu einem linearen

Gleichungssystem zusammengefhrt.Die Verschieb ngen nd Spann ngen der ein elnen Elemente erden n merisch Die Verschiebungen und Spannungen der einzelnen Elemente werden numerisch berechnet.


Typen Finiter Elemente

Zug-Druck-Stabelement

Scheibenelemente(rechteckig, dreieckig)

Balkenelement

Plattenelement(rechteckig dreieckig)

Tetraeder-Volumenelement

rumlich gekrmmtes Schalenelement

GPE_VO_07 SS07 - 33

(rechteckig, dreieckig) Volumenelement Schalenelement

2007 Prof. Lindemann

Beispiele von FEM-Simulationen


Grenzen der FEM-Analyse

Die Genauigkeit der Ergebnisse einer FEM-Analyse werden beeintrchtigt durch: Verwendung unrealistischer Ansatzfunktionen

(El t t M t i l t R db di t )(Elementart, Materialgesetze, Randbedingungen, etc.) Verwendete Zustandgleichungen gelten nur nherungsweise fr kleine

Verformungen Begrenzte Rechengenauigkeit und -kapazitt des Computers

Fehler TheoriefehlerRechenfehler

Netzfeinheit


VersucheVersuchsaufbau fr orientierende Versuche Prfstand fr exaktere DemontageuntersuchungenVersuchsaufbau fr orientierende Versuche Prfstand fr exaktere Demontageuntersuchungen

GPE_VO_07 SS07 - 36 2007 Prof. Lindemann Quelle: Schlter 1994, S. 89-96


Einfhrungsbeispiel



Schadenverhtung

Zusammenfassung


Zusammenfassung

In der Praxis fhrt Bauteilversagen zu Schden an Maschinen und Anlagen mit weitIn der Praxis fhrt Bauteilversagen zu Schden an Maschinen und Anlagen mit weit reichenden Folgen (Leistungsminderung, Ausflle, Unflle, Katastrophen etc.)

Die Schadenanalyse beschftigt sich mit der Ermittlung der Ursachen von Schden, di ft l i V k tt hi d Ei fl t t hdie oftmals aus einer Verkettung verschiedener Einflsse entstehen.

In allen Lebensphasen eines Produktes (z. B. Planung, Entwicklung, Fertigung, Montage, Betrieb, Reparatur etc.) knnen ungnstige Entscheidungen bzw. g p ) g g gManahmen zur Entstehung von Schden fhren.

Die Kenntnis von mglichen Schadenformen und Auswirkungen ist fr den Produktentwickler unerlsslichProduktentwickler unerlsslich.

Schden knnen bereits in der Entwicklung vermieden werden! Manahmen zur Schadensverhtung sind beispielsweise Anwendung von Erfahrungswerten, Berechnungen, Simulationen oder Versuche.


Gliederung GPE Ausblick auf den nchsten Termin

01 Einfhrung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System Systemdenken 11.05.0705 M d lli S t 18 05 0705 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schden im Maschinenbau 01 06 0707 Schden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bauteilfestigkeit 15.06.07g10 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.07.07


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