Untersuchungen zur Berechnung der Dauerfestigkeit von randschichtgehärteten D ieselei nspritzd üsen

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1 Untersuchungen zur Berechnung der Dauerfestigkeit von randschichtgehärteten D ieselei nspritzd üsen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORINGENIEURS (Dr.-Ing.) vorgelegt der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau von Dipl.-Ing. Matthias Spickenreuther (FH) geboren am in Weiden i. d. Opf. Gutachter: 1. Herr Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. rer. nat. (TU Ilmenau) Christian Knedlik 2. Herr Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß (TU Ilmenau) 3. Herr. Prof. Dr.-Ing. Joachim W. Bergmann (Bauhaus Universität Weimar) Tag der Einreichung: Tag der Verteidigung: urn:nbn:de:gbv:ilml

2 v Inhaltsverzeichnis Formelzeichen xvii 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik Festigkeitsverhalten metallischer Werkstoffe unter zyklischer Belastung Analytische Beschreibung von Lastwechselvorgängen Die Wöhlerlinie Versagenskriterien Auslegungskriterien für Bauteile Einflussparameter auf die Lebensdauer Einflüsse aus der Belastung Einflüsse aus der Belastbarkeit Berechnungskonzepte Konzepte auf Grundlage von elastischen Verformungen Konzepte auf Grundlage von elastischplastischen Verformungen Konzepte auf Grundlage von Rissen Mehrachsigkeit Normalspannungshypothese Schubspannungshypothese Gestaltänderungsenergiehypothese Schubspannungsintensitätshypothese Methode der kritischen Ebene Dang Van Kriterium Verfahren zur Bestimmung der Dauerfestigkeit Treppenstufenverfahren Probitverfahren Abgrenzungsverfahren arcsm-verfahren Verfahren nach Locati 34

3 2.6.6 Verfahren nach Prot Ubertragbarkeit Richtlinien zur Bemessung von zyklisch belasteten Bauteilen 39 3 Zielsetzung 42 4 Berechnungsansatz und dazugehörige Übertragungsfaktoren Vorstellung des gegebenen Lastfalls Geometrie einer Dieseleinspritzdüse Probenfertigung Lasten Formelmäßige Berücksichtigung der Parameter Lokale Dauerfestigkeit infolge der inhomogenen Materialeigenschaften Mittelspannungseinfluss Eigenspannungseinfluss Oberflächeneinfiuss Spannungsmechanische Stützwirkung Statistischer Größeneinfluss Mehrachsigkeit Auswahl der Ermittlungsmethode Versuchskonzept Statistische Auswertung Statistische Verteilung der Festigkeitswerte im Dauerfestigkeitsgebiet Vorstellung der Berechnungsmethode 87 5 Experimentelle Untersuchungen Versuchsprogramm Bezugskerbgrundfestigkeit Mittelspannungseinfluss unter Innendruckbelastung Härteeinfluss Oberflächeneinfiuss 94

4 yij Größeneinfluss Mittelspannungsempfindlichkeit von Rundproben unter Biegebelastung Versuchsprogramm im Überblick Prüfstandsbeschreibung Hochdruckimpulsprüfstand Resonanzprüfmaschine Versuchsergebnisse Dauerfestigkeiten Zeitfestigkeit Lebensdauern Ermittlungsgenauigkeit der Festigkeitsverteilung Lageparameter Streuparameter Einfluss der Streuung der Kerbgrundbeanspruchung auf die Dauerfestigkeit Spannungsanalyse Fraktographie Diskussion der Ergebnisse Auswertung der Versuchsergebnisse Mittelspannungsempfindlichkeit bei niedrigen Mittellasten Kerbgrundwechselfestigkeit und Härteeinnuss Oberflächeneinfluss Größeneinfluss Mittelspannungsempfindlichkeit für hohe Mittellasten Auswertung der Berechnung Übertragung auf andere Geometrien Einfluss der Kerbgrundfestigkeiten Vergleich der Verteilungsfunktionen Vergleich der Vergleichsspannungshypothesen Ableitung einer Bemessungsgrundlage 193

5 VÜi INHALTSVERZEICHNIS Extrapolation auf niedrige Ausfallwahrscheinlichkeiten Bewertung des Streuverhaltens Auswahl eines geeigneten Verteilungsmodells Betriebsfeste Auslegung Schlussfolgerung und Ausblick 207 Literaturverzeichnis 215 Anhang 234 A Anhang 234 A.l Zeichnungen und FE-Netze 234 A.2 Versuchsergebnisse im Einzelnen 239 A.3 Funktionsprinzip der Dieseleinspritzung 255 A.3.1 Druckgesteuerte Systeme 255 A.3.2 Nadelhubgesteuerte Systeme 257 A.3.3 Vergleich der Betriebslasten 259 A.4 Berechnungsvorschläge aus der Literatur 264 A.4.1 FW Vorhaben Autofrettage III 264 A.4.2 FKM-Richtlinie 268 B Thesen der Arbeit 275 C Erklärung 277