Modellbasierte Lebensdauerprognose für dynamisch beanspruchte Elastomerbauteile

Duisburg, Essen (2012), VII, 147 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2012
Abstract:
Lebensdauerprognosen werden im technischen Bereich durchgeführt, um den zu erwartenden Ausfallzeitpunkt eines Bauteils bei vorgegebenen Belastungen und Randbedingungen zu berechnen. Auf diese Weise können für das betrachtete Bauteil die notwendigen Wartungs- bzw. Austauschintervalle ermittelt werden. Die Lebensdauerprognose für 
Elastomerbauteile ist aufgrund steigender Anforderungen an die Genauigkeit sowie die Berücksichtigung werkstoffspezifischer Phänomene ein zentraler Bestandteil aktueller Forschungsarbeiten der Branche. Oft ist die Übereinstimmung zwischen in experimentellen Versuchen beobachteten und den mit heutigen Prognoseansätzen berechneten Bauteillebensdauern mangelhaft. Dies macht deutlich, dass die Anwendung einfacher, von der Anwendung auf Metalle abgeleiteter Prognosemodelle langfristig keine zufriedenstellende Lösung darstellen kann. Vielmehr sind solche Modelle zu entwickeln, die speziell auf die komplexen Werkstoffeigenschaften der Elastomere zugeschnitten sind. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Implementierung eines neuartigen Ansatzes zur Lebensdauerprognose für dynamisch beanspruchte Elastomerbauteile, dessen Prognoseergebnisse durch experimentelle Versuchsreihen verifiziert werden. Anhand von experimentellen Versuchsreihen an elastischen Kupplungen wird ein mathematischer Ansatz hergeleitet, der abweichend von der heute verwendeten linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren und Miner eine nichtlineare Schadensakkumulation ermöglicht. Bei der Berechnung der durch einen Lastwechsel hervorgerufenen Teilschädigung, wird stets die bereits durch vorangegangene Lastwechsel hervorgerufene Schädigung berücksichtigt. Auf diese Weise wird die Integration des für Elastomere bekannten „Langzeitgedächtnisses“ auch für lange zurückliegende Belastungszustände ermöglicht. Zwei aufeinanderfolgende Lastwechsel mit identischer Belastung haben somit keine identische schädigende Wirkung, da für den zweiten Lastwechsel eine andere Vorschädigung vorliegt als für den ersten. Weiterhin wird aus den durchgeführten experimentellen Versuchsreihen ein Kurzzeitprüfprogramm für Elastomerkupplungen abgeleitet, welches sich aus einer Kombination von Einstufen- und Lastkollektivversuchen zusammensetzt. Hierdurch können die freien Parameter des mathematischen Ansatzes mit minimalem experimentellem Aufwand kalibriert werden. Die am Beispiel der Elastomerkupplungen durchgeführten Lebensdauerprognosen werden mit den beobachteten Ausfallzeitpunkten verglichen und zeigen eine sehr gute Prognosequalität.