Prüfmethodik zur Validierung von Lebensdauerberechnungen für Kolben und Zylinderköpfe aus Aluminiumlegierungen unter überlagerter TMF/HCF-Belastung
Creators: name: Kuhlen, Karl Gerhard
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: thermomechanische Ermüdung
überlagerte hochzyklische Ermüdung
Aluminiumlegierungen
Lebensdauerberechnung
TMF
HCF
Zylinderkopf
Kolben

description: Die Bauteile Zylinderkopf und Kolben in modernen Verbrennungskraftmaschinen erfahren zu Gunsten von Effizienzsteigerung, welche mit steigenden Temperaturen und Drücken einhergeht, wachsende thermomechanische und hochzyklische Ermüdungsbelastungen. In Kombination mit Leichtbauzielen erfordert dies eine genauere Bauteilauslegung, deren Prüfung an Hand von Komponentenversuchen sehr teuer und zeitaufwändig ist. Daher wird hier eine Prüfmethodik entwickelt, welche bauteilnahe Proben mit realitätsnahen Beanspruchungen in Form von thermomechanischen Ermüdungslasten beaufschlagt, die mit hochzyklischen mechanischen Lasten überlagert sind. Für Reduktion von Aufwand und frühzeitigen Einsatz in der Bauteilauslegung wird eine Zylinderkopfprobe auf den versagenskritischen Auslassventilsteg reduziert. Bei einer Kolbenprobe wird das Kolbenhemd entfernt und der Muldenrandradius verschärft. Die überlagerte Ermüdungsbeanspruchung wird mittels einer Kopplung von Heißgasbrenner und Hochfrequenzpulsator auf die Proben aufgebracht, welche in jeweils für Zylinder-kopfprobe und Kolbenprobe separat entwickelten Prüfaufbauten montiert werden. Prüfstandsentwicklung und Auslegung der thermischen Prüfrandbedingungen erfolgen mit Hilfe von Conjugate Heat Transfer-Simulationen. Mit diesen Simulationen werden auch die in den Prüflingen gemessenen Temperaturverteilungen berechnet, welche wiederum Eingang in die jeweiligen Lebensdauerberechnungen finden. Ein Vergleich von geprüfter und berechneter Lebensdauer erfolgt anhand jüngst entwickelter Lebensdauerberechnungskonzepte. Diese greifen teilweise auf physikalisch basierte Lebensdauermodelle zurück, die Risswachstum und bruchmechanische Phänomene berücksichtigen. Dafür ist eine durchgängige Beobachtung des versagenskritischen Bereichs während der Versuche erforderlich, was im Prüfaufbau anhand eines wassergekühlten Endoskops in Kombination mit einer optischen Risserkennung realisiert wird. Eine Analyse der Versuchsergebnisse und Schadensbilder, welche fraktographische und metallographische Untersuchungen einschließt, zeigt für die Zylinderkopfprobe, dass realitätsnahe Belastungen aufgeprägt werden können sowie, dass ein Abgleich von experimentell beobachteten und berechneten Zyklenzahlen zum Versagen zulässig ist. Dadurch wird wiederum eine Bewertung der unterschiedlichen Lebensdauerberechnungskonzepte ermöglicht. Ebenso kann für die Kolbenprobe demonstriert werden, dass sich unter der aufgeprägten Last im versagenskritischen Bereich eine Schädigung wie im realen motorischen Be-trieb einstellt und die Effizienz der Kolbenprüfung hier noch mit verhältnismäßig einfachen Maßnahmen in Form von einer verkürzten Versuchslaufzeit und dadurch reduzierten Kosten um ein Vielfaches gesteigert werden kann. Anhand der hier erarbeiteten Erkenntnisse zeigt sich, dass diese Prüfmethodik zur Analyse des Schädigungsverhaltens und zur Validierung von Lebensdauervorhersagen unter realitätsnahen Lastbedingungen im Bauteilentwicklungsprozess eingesetzt werden kann und Potenzial zur Übertragbarkeit auf andere Anwendungsgebiete aufweist, wie bspw. abgasführende Komponenten für PKW und NKW oder Überhitzerrohre aus dem Kraftwerksbereich.