Auslegungsrichtlinie zur Vermeidung von Reibkorrosionsschäden

Reibkorrosion beziehungsweise Reibdauerermüdung ist eine kombinierte Beanspruchungsart, die insbesondere bei gefügten Verbindungen und dynamischer Belastung auftritt. Dabei wird neben der Werkstoff-ermüdung die Bauteiloberfläche durch eine zusätz-liche tribologische Reibbeanspruchung geschädigt und somit die Dauerfestigkeit abgesenkt. Hubkolbenmaschinen mit einer hohen spezifischen Leistung sowie form- und reibschlüssig gefügte Bauteilverbindungen können infolge last- und geometriebedingter Verformungen in den Fügestellen durch die Reibkorrosion geschädigt werden. Dies kann bis zum sogenannten Reibdauerbruch und folglich zum vollständigen Bauteilversagen führen.

Dieses Vorhaben leistet einen Beitrag zur fun-dierten Festigkeitsbeurteilung und damit siche-ren Aus-legung reibkorrosionsgefährdeter motortypischer Fügeverbindungen. Hierzu wurde ein univer-selles Prüfverfahren in Form eines sogenannten Reib-klötzchen-prüfstands entwickelt, welcher die expe-rimentelle Festigkeitsermittlung einer unter Reibdauerbeanspruchung stehenden Zugprobe ermöglicht. Dabei können die wichtigsten tribologischen Beanspruchungsparameter Schlupfamplitude sowie Fugendruck voneinander unabhängig gesteuert werden. Für drei ausgewählte Werkstoffe (Vergütungsstahl 34CrNiMo6 +QT, Sphäroguss EN-GJS-400 und Aluminiumgusslegierung AlSi10Mg T6) wurde unter vorgegebener tribologischer Beanspruchung (Schlupfamplitude 10 μm, Nennfugendruck 10 MPa, Reibpartner aus unlegiertem Stahl C10) experi-mentell die Reibdauerfestigkeit beziehungsweise die Kerbwirkungszahl ermittelt.

Mithilfe der numerischen Simulation wurde ein örtlicher Ermüdungsfestigkeitsnachweis gemäß der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ geführt und die diesbezüg-lichen tatsächlichen zyklischen Auslastungsgrade berechnet. Für eine anwendungstypische Nachweisrechnung mit Reibkorrosion wurden dann neuartige Rauheitsfaktoren KR,σ,RD abgeleitet, die die festigkeitsmindernde Wirkung der auftretenden tribo-logischen Beanspruchung bei gefügten Bauteilen berücksichtigen. Die Ergebnisse sind als erster Schritt zur Erweiterung der bestehenden Auslegungsrichtlinie für reibkorrosionsgefährdete Bauteile aufzufassen. Das Vorhaben wurde aus FVV-Eigenmitteln finanziert.

FORSCHUNGSSTELLEN: INSTITUT FÜR KONSTRUKTIONS- UND ANTRIEBSTECHNIK (IKAT), TU CHEMNITZ

OBMANN: DR.-ING. REINER BÖSCHEN, MTU FRIEDRICHSHAFEN GMBH

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Restgasquantifizierung in Verbrennungsmotoren

Der Fokus dieses Projekts lag in der innermotorischen, zyklusaufgelösten Bestimmung von Abgas-rückführungs(AGR)-Raten in Verbrennungsmotoren mittels minimal-invasiver Laserabsorptions-Spektroskopie. Der Gemischanteil von Restgas aus interner oder externer AGR wurde aus der berührungsfrei im Brennraum gemessenen Wasserdampfkonzentration berechnet. Die Messung erfolgte mittels Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS). Dieses Messverfahren besitzt die Vorteile, dass es ohne Probenentnahme, mit hoher Zeitauflösung, eine kalibrationsfreie, robuste, in-situ Bestimmung von absoluten H2O-Konzentrationen ermöglicht. Versuche wurden an optischen Einzylinder-Forschungsmotoren sowie an einem leicht modifizierten Vierzylinder-Serienmotor durchgeführt. Dabei wurden jeweils dynamische -Messungen der Restgaskonzentration in der Kompressionsphase vorgenommen. Im geschleppten Betrieb wurde eine Validierung bei bekannter Feuchte der Ansaugluft durchgeführt. Gefeuerte Betriebspunkte ermöglichten den direkten Vergleich der aus der H2O-Konzentration ermittelten AGR-Rate mit der mittels zweier Modelle berechneten. Es wurde ein Sensorprototyp entwickelt, der auf die zukünftige Nutzung der an vielen Prüfständen bereits vorhandene Glühkerzen- oder Indizierbohrung zielt. Mögliche Erweiterungen der TDLAS-Messtechnik auf die optische Bestimmung der innermotorischen Gastemperatur wurden untersucht und erfolgreich im Labormaßstab realisiert. Das Vorhaben wurde aus Mitteln des BMWi über die AiF (15970N) finanziert.

FORSCHUNGSSTELLEN: INSTITUT FÜR VERBRENNUNG UND GASDYNAMIK (IVG), UNIVERSITÄT DUISBURG-ESSEN, PHYSIKALISCH-TECHNISCHE BUNDESANSTALT (PTB), BRAUNSCHWEIG

OBMANN: DR. MATTHIAS HARTMANN, BMW AG