Numerische und experimentelle Lebensdauervorhersagen für multiaxial belastete Luftfedersysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Weltin
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 195623579

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Anwendung des örtlichen Konzeptes zur Lebensdauerprognose einer Luftfeder erfordert die Beschreibung der Lebensdauercharakteristik auf Grundlage von Versuchen an Materialproben. Da herkömmliche Proben für die Voraussagen der Lebensdauer von Luftfedern keine akzeptablen Ergebnisse liefern, wurde im Rahmen des Projektes eine neue Faden-Elastomer-Probe entworfen. Diese Probe dient der Untersuchung der Lebensdauercharakteristik von Rollbalgluftfedern mit Kreuzlagenbalg. Es wurde gezeigt, dass Lebensdauerprognosen auf der Datenbasis einer üblichen Elastomerprobe die Lebensdauercharakteristik des Faden-Elastomer-Verbundes unzureichend abbilden. Ebenso wurde das Rissfortschrittskonzept mit der Cracking Energy Density angewendet. Die Ergebnisse der rechnerischen Lebensdauervorhersage waren ebenfalls nicht so zutreffend, wie die auf Basis der neuen Faden-Elastomer-Probe. Die neue Probe verbessert die Vorhersagen der Lebensdauer auf Basis des Rissinitiierungskonzeptes für Faden-Elastomer-Verbunde in Luftfedern in einer frühen Entwicklungsphase. Neben der Entwicklung der Faden-Elastomer-Probe war die numerische Analyse der lokalen Beanspruchungen in dem Faden-Elastomer-Verbund eines Luftfederbalges Ziel des Projektes. Hierzu wurde ein Zweiskalenmodell zur Analyse der Beanspruchungen und zur Berechnung der lokalen Schadensparameter vorgestellt und automatisiert. Das Zweiskalenmodell besteht aus einer globalen Ebene, welche das Luftfedersystem abbildet, und einer lokalen Ebene zur Bestimmung der lokalen Deformationen und Schadensparametern des Faden-Elastomer-Verbundes. Als Schadensparameter werden die maximale Cauchysche Hauptnormalspannung und der minimale Eigenwert des schädigenden Anteils des Eshelbyschen Spannungstensors gewählt. Es werden multiaxiale, unproportionale Beanspruchungsverläufe angenommen. Die Validierung der im Projekt ermittelten Parameter der Faden-Elastomer-Probe zur Beschreibung der Lebensdauercharakteristik erfolgt über einen Vergleich der Lebensdauern aus Balgversuchen, welche der Literatur entnommen wurden, mit den berechneten Lebensdauern. Die vorgestellten Ergebnisse ermitteln einen Ausfall des Elastomers in dem Kreuzungspunkt. Dies wurde ebenfalls in Versuchen beobachtet. Wie an den Daten ersichtlich ist, wird die rechnerische Lebensdauerprognose von Rollbalgluftfedern auf Basis der Faden-Elastomer-Probe im Vergleich zu einer S2-Zugstabprobe verbessert. Die Lebensdauercharakteristik des Faden-Elastomer-Verbundes wird mittels der neu entwickelten Faden- Elastomer-Probe somit hinreichend genau abgebildet. Dies ist sowohl für die Berechnung der Lebensdauer auf Basis der Daten von S2-Zugstabprobenversuchen als auch mittels der Cracking Energy Density und dem Rissfortschrittskonzeptes nicht der Fall. Es wurde gezeigt, dass der Einfluss der Abrollkolbendurchmesser und der Innendrücke abgebildet werden kann. Der Einfluss der Temperatur auf Basis von Materialversuchen konnte nicht erfasst werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018) On the lifetime prediction of rolling lobe air springs. Engineering Failure Analysis 94 313–326
  Eitzen, A.v.; Flamm, M.; Steinweger, T.; Weltin, U.
  
• Effects of very high loads on fatigue life of NR elastomer materials, International Journal of Fatigue, Elsevier publishing, 33: 1189 – 1198 (2011)
  Flamm M., Spreckels J., Steinweger T., Weltin U.
  
• Modelling of cordrubber composites of bellow air-springs, ECCMR, Constitutive Models for Rubber VIII, Balkema Publisher: Leiden, 631 – 636 (2013)
  Eitzen A. von, Weltin U., Brüger T., Steinweger T., Flamm M.
  
• Computational determination of damage distribution in multiaxial and dynamic loaded rubber parts, Kautschuk Gummi Kunststoffe, 67, (2014), Hüthig Fachverlag
  Steinweger T., Flamm M., Weltin U.
  
• A new specimen for fatigue analysis of cord-rubber composites, ECCMR, Constitutive Models for Rubber IX, Balkema Publisher: Leiden, 373 - 378 (2015)
  Eitzen A. von, Weltin U., Steinweger T., Flamm M.
  
• Comparison of experimental and numerical fatigue lives of rolling lobe air-springs for different diameters, inner pressures and temperatures, ECCMR, Constitutive Models for Rubber X, Balkema Publisher: Leiden, 459 – 464 (2017)
  Eitzen A. von, Weltin U., Steinweger T., Flamm M.
  
• Lebensdauer von Luftfedern, DVM Arbeitskreis Elastomerbauteile, 4, VIII 1 – VIII 12 (2107)
  Eitzen, A. von, Flamm M.