GPE Vorlesung 09 Bauteilfestigkeit SS07

Grundlagen der ProduktentwicklungBauteilfestigkeit

SS 07 Vorlesung 09 15 06 2007SS 07 Vorlesung 09 15.06.2007

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_09 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


Ablauf der Festigkeitsberechnung

B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-

bedingungenWerkstoff

Spannungs-zustand

Werkstoff-festigkeit

V l i hKerbwirkungseinfluss

Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss

Grenbeiwert

Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g

Sicherheit

GPE_VO_09 SS07 - 3 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn

Bauteilfestigkeit

Beanspruchungen stellen Belastung eines Bauteils dar. mechanische Beanspruchung durch Vergleichsspannung charakterisiert Versagen, wenn zulssige Grenzwerte der Beanspruchung berschritten

werden

Bauteilfestigkeitg maximal zulssige Beanspruchung ohne Versagen des Bauteils abhngig von Geometrie, Werkstoff, Belastungsart,





Spannungs-zustand




Grenbeiwert


Sicherheit


Ermittlung von mechanischen Werkstoffkennwerten

zerstrungsfreie bzw. zerstrende Prfung von Werkstoffen fr ruhende bzw. fr dynamische Beanspruchungen meist aus Kurzversuchen Betrachtung von

B hl t Bruchlast elastischer Dehnung plastischer Verformungplastischer Verformung

Versuche:Zugversuch gleichmig zunehmende ZugbeanspruchungDruckversuch gleichmig zunehmende DruckbeanspruchungScherversuch Ermittlung der ScherfestigkeitScherversuch Ermittlung der ScherfestigkeitDauerschwingversuch Prfung des dynamischen Verhaltens

GPE_VO_09 SS07 - 6 2007 Prof. Lindemann Quelle: Tabellenbuch

Zugversuch

fr Zug-/Druckbelastungen Ermittlung von Dehn- und Streckgrenze Messung von

Kraft FD h Dehnung

Flche A kontinuierliche Steigerung der Lastkontinuierliche Steigerung der Last

bis zum Versagen der Probe Nach Aufbringen einer Kraft F verjngt

sich der Querschnitt A zu Asich der Querschnitt Ao zu A.


Spannungs-Dehnungsdiagramm

hochfester Stahl

Z ZF/A 0

weicher Stahl

F/A 0

Rm

ZRe

ZF/A 0F/A 0

Graugu GG

Dehnung = l/l0Bruchdehnung =l /l0


Beanspruchungsgrenzen


Wechselfestigkeit: Schwankungen von Werkstoffeigenschaften

St b d d W h lf ti k it d Sthl b f d Z f ti k itStreuband der Wechselfestigkeit der Sthle bezogen auf deren Zugfestigkeit





Spannungs-zustand




Grenbeiwert


Sicherheit


Statische und dynamische Beanspruchung

Anzahl der Lastwechsel N < 104 Anzahl der Lastwechsel N > 104

wechselnde Beanspruchung(dynamische Beanspruchung)

ruhende, zgige Beanspruchung(statische Beanspruchung)


Belastungsflle mit Beispielen

ruhende (statische) BeanspruchungKabelgewicht an Hochspannungsmast

Schwell-BeanspruchungKrantrger von Wandkran

Wechsel-Beanspruchungdoppelt wirkender Kolben(Kolbenstange)

berlagerung von ruhenden und h l d B h

Motorwelle eines LKWwechselnden Beanspruchung

Stobeanspruchung Sto auf Achsendurch Schlagloch


g

Bereiche in der Whlerlinie


Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith

GPE_VO_09 SS07 - 15 2007 Prof. Lindemann (Quelle: IMWF, Uni Stuttgart)

Abhngigkeit der Werkstoffeigenschaften von der Beanspruchungsrichtung

Spannung

LngsbeanspruchungLngsbeanspruchung

Querbeanspruchung

D h

Schematische Darstellung des Spannungs-Dehnungsverhaltens von unidirektionalen Kunststoff-Glasfaser-Laminaten unter Lngs- und Querbeanspruchung.

Dehnung


g p g




Spannungs-zustand




Grenbeiwert


Sicherheit


Auswahl der Werkstoffe

Anforderungen an das Bauteil

gegenseitiger Einfluss

Eigenschaftendes Werkstoffs

gewhlter

bester Kompromiss

gewhlter Werkstoff

pz. B.: Gewicht FestigkeitFestigkeit Kosten


Anforderungen an das Bauteil

Anforderung = Bezeichnung + Quantifizierung

Sammlung in Anforderungsliste Anforderungen: lsungsneutral, eindeutig, anspruchsvoll, erreichbar

Z hl t k h d h Q litt t t d ( B F b ) Zahlenwert kann auch durch Qualitt ersetzt werden (z. B. Farbe)

mgliche Arten von Anforderungen:mgliche Arten von Anforderungen: Geometrie Kinematik Ergonomie Instandhaltung

K t Kosten

GPE_VO_09 SS07 - 19 2007 Prof. Lindemann Quelle: Lindemann

Beispiel: Anforderungsliste Fahrrad


Eigenschaften von Werkstoffen

Eigenschaft = Merkmal + Ausprgung

mgliche Arten von Werkstoffeigenschaften:

mechanische Eigenschaften: - Streckgrenzeg g- Dauerfestigkeit-

thermische Eigenschaften: - Warmfestigkeit- Hrtbarkeit-

chemische Eigenschaften elektrische Eigenschafteng Preis

GPE_VO_09 SS07 - 21 2007 Prof. Lindemann Quelle: Lindemann

Werkstoffe berblick

Werkstoffe

anorganische organische Verbund-Werkstoffe Werkstoffe stoffe

metallisch mineralisch natrlich synthetisch

faserverstrkteKunststoffe

t

Eisen Legierungen

B t t ll

Stein Glas

K ik

Holz Harze

N t f

Kunststoffe Kunstharze

K tf vorgespannter Beton

Hartmetalle

Buntmetalle

Keramik

Naturfasern

Kunstfasern


Quelle: IZTK

metallische Werkstoffe berblick

metallischeWerkstoffe

Nichteisen-Eisen-

Leicht-

metalle

Schwer-

metalle

Sthle Eisenguss- metalle metalleSthleg

werkstoffe

Baustahl Gusseisen Aluminium KupferBaustahl Werkzeug-

Stahl Vergtungs-

Gusseisen Temperguss Stahlguss

Aluminium Magnesium Titan

Kupfer Zink Blei

Vergtungsstahl


Anwendungsbeispiel fr Blech

z. T. eingeschrnkte Umformbarkeit Korrosionsfestigkeit Gewicht Preis

t l d bl k taylored blanks schweibar


Anwendungsbeispiel fr Gusseisen

gute Gleiteigenschaften komplexe Formen mglich Dauerfestigkeit korrosionsunempfindlich

t Z b k it gute Zerspanbarkeit gute Dmpfung nicht schwei- oder ltbarnicht schwei oder ltbar


Anwendungsbeispiel fr Leichtmetall

geringes Gewicht gute Giebarkeit schweibar korrosionsbestndig


Anwendungsbeispiel fr Sinterwerkstoffe

Dauerfestigkeit Verschleifestigkeit

W f ti k it Warmfestigkeit hchste Genauigkeiten korrosionsbestndigkorrosionsbestndig pors

gesintertes Zahnrad


Anwendungsbeispiel fr Keramik

Dauerfestigkeit Verschleifestigkeit korrosionsbestndig gute Gleiteigenschaften gute Gleiteigenschaften

(keramische Lager) sprde geringe Wrmeleitfhigkeit


Gestaltung von Bauteilen in Abhngigkeit von der Werkstoffwahl

Stahlguss GS-38:

D kf ti k itDruckfestigkeit 380 N/mmZugfestigkeit :380 N/mm

aus Stahlguss GS

Grauguss GG-18:

Druckfestigkeit 800 N/mm800 N/mmZugfestigkeit180 N/mm

G GG


aus Grauguss GG

Quelle: Bode

Vergleich verschiedener Werkstoffe fr ein Getriebe

Bearbeitung wlzgefrst wlzgefrst Ri.: geschliffen geschliffen

Werkstoffund Rad

Ritzel undRad C45

Ritzel undRad 42CrMo4

Ritzel 20MnCr5Rad 42CrMO4

Ritzel und Rad20MnCr5

Bearbeitung wlzgefrst wlzgefrst Rad: wlzgefrst geschliffen

Achsabstand a 830 mm 390 mm650 mm 585 mmModul m 10 1010 10

BaugreBaugre

Gesamt-gewicht 8505 kg 3465 kg 1581 kg4860 kg

Gewicht

Selbstkosten

174 % 71 % 33 %100 %

132 % 100 % 85 % 63 %Selbstkosten 132 % 100 % 85 % 63 %

Sicherheit SHSicherheit SF

1,3 1,3 1,3 1,65,7 3,9 2,36,1





Spannungs-zustand




Grenbeiwert


Sicherheit


Kraftfluss: Kerbe und Entlastungskerbe

Hauptkerbe (z. B. fr Radialsicherungsring)

Entlastungskerbe muss : nahe an der Hauptkerbe nahe an der Hauptkerbe

liegen die gleiche Tiefe aber

greren Radius besitzen

falsch richtig Die Umlenkung des Kraftflusses der linken Kerbe kommt als Entlastungskerben Hilfswirkung nicht zum Tragen.


Spannungsverteilung am gebohrten und gekerbten Biegestab


Die Formzahl

Beispiel fr eine Kerbformzahl

nk

max=p

in beidseitig gekerbten Flachstben unter Zugbelastung


n

Oberflcheneinfluss

Abminderungsfaktor der Dauerfestigkeit von Sthlen fr


unterschiedliche Oberflchenzustnde

Vorspannung

Zugspannungen an der Oberflche knnen Kerben ffnen und zum Ausdehnen der Kerbe fhren.

Solange die Kerbe mit einer Druckspannung beaufschlagt ist, wird sie sich nicht ffnen.

Druckvorspannung sorgt fr kleinere Kerben kann ihre Entstehung aberDruckvorspannung sorgt fr kleinere Kerben, kann ihre Entstehung aber nicht ganz unterbinden.

Belastung Vorspannung(Druck)

Summe Kerbe hlt an


Verdichtung der Oberflche

Dauerfestigkeitssteigerung durch Festwalzen bei k bt d k bt P b


ungekerbter und gekerbter Probe

Verfestigungsstrahlen

Durch Aufprall kleiner Stahl- oder Glaskugeln wird Vorspannung in Oberflche eingebracht (Druckeigenspannungen).

Oberflche wird lokal plastisch verformt. Es entsteht eine eingedellte Oberflchenstruktur.


Temperatureinfluss

Dauerfestigkeit von Stahl, Aluminium-, Titan- und Sonderlegierungen


g , , g gals Funktion der Temperatur

Risszhigkeit

Streubnder der Risszhigkeit unterschiedlicher Werkstoffgruppen als Funktion der Fliegrenze


g

Einflussfaktoren auf die Dauerfestigkeit

Einflussparameter zur Schwingfestigkeit von Proben oder Bauteilen im Whler-Versuch i h ti h D t ll


in schematischer Darstellung




Spannungs-zustand




Grenbeiwert


Sicherheit


Bauteilfestigkeit

Belastungsfall (statisch, dynamisch, allgemein schwingend, )

Beanspruchungsart (Zug, Druck, Biegung, Torsion, )

Werkstoffkennwert (Rm, Re, max, )

magebende Grenzspannung (Druck, Zug, , )

Kerbwirkung (K, b1, b2, )

zulssige Spannung (zul, zul, ...)

GPE_VO_09 SS07 - 43 2007 Prof. Lindemann Quelle: Tabellenbuch




Spannungs-zustand




Grenbeiwert


Sicherheit


Beanspruchung und Festigkeit

Beanspruchung stellt im Bauteil vorherrschende Krfte und Momente dar meist charakterisiert durch Vergleichsspannung bercksichtigt

LastenLasten maximale Belastung bei Zeitabhngigkeit der Last globale Geometrie der Lasten und Lagerungen

Festigkeit stellt maximal ertragbare Beanspruchung dar charakterisiert durch zulssige Spannungen charakterisiert durch zulssige Spannungen bercksichtigt

Geometrie der Querschnitte Werkstoffverhalten Zeitabhngigkeit der Last und Umwelteinflsse


Sicherheit

V l i h l i S d V l i hVergleich von zulssiger Spannung und Vergleichsspannung:

KSzulv

=

SK

zulv =Sicherheitsbeiwert S richtet sich nach dem Einsatz des Bauteils nimmt blicherweise Werte zwischen 1 und 4 an

S

nimmt blicherweise Werte zwischen 1 und 4 an bercksichtigt die Unsicherheiten der Berechnung

Werkstoffkennwert K aus Werkstoffkennwert und erluterten schwchenden Faktoren


Zusammenfassung

Beanspruchungen im Bauteil Krfte, Momente Spannungen Beanspruchungsgerechte Gestaltung der Bauteile

Bauteilfestigkeit Werkstoffe und Werkstoffkennwerte Betriebsbedingungen Einflsse der Bauteilgeometrie

Sicherheit Vergleich von Festigkeit und Beanspruchung


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 Bausteilfestigung 15.06.0710 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.06.07


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