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 12.10.1976 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: 10.10.2006 Tag der Verteidigung: 22.10.2007 urn:nbn:de:gbv:ilml-2007000248
v Inhaltsverzeichnis Formelzeichen xvii 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 4 2.1 Festigkeitsverhalten metallischer Werkstoffe unter zyklischer Belastung 4 2.1.1 Analytische Beschreibung von Lastwechselvorgängen 4 2.1.2 Die Wöhlerlinie 6 2.1.3 Versagenskriterien 10 2.2 Auslegungskriterien für Bauteile 13 2.3 Einflussparameter auf die Lebensdauer 14 2.3.1 Einflüsse aus der Belastung 16 2.3.2 Einflüsse aus der Belastbarkeit 18 2.4 Berechnungskonzepte 21 2.4.1 Konzepte auf Grundlage von elastischen Verformungen 22 2.4.2 Konzepte auf Grundlage von elastischplastischen Verformungen 24 2.4.3 Konzepte auf Grundlage von Rissen 24 2.5 Mehrachsigkeit 25 2.5.1 Normalspannungshypothese 26 2.5.2 Schubspannungshypothese 27 2.5.3 Gestaltänderungsenergiehypothese 27 2.5.4 Schubspannungsintensitätshypothese 28 2.5.5 Methode der kritischen Ebene 29 2.5.6 Dang Van Kriterium 30 2.6 Verfahren zur Bestimmung der Dauerfestigkeit... 30 2.6.1 Treppenstufenverfahren 32 2.6.2 Probitverfahren 32 2.6.3 Abgrenzungsverfahren 33 2.6.4 arcsm-verfahren 34 2.6.5 Verfahren nach Locati 34
2.6.6 Verfahren nach Prot 35 2.7 Ubertragbarkeit 35 2.8 Richtlinien zur Bemessung von zyklisch belasteten Bauteilen 39 3 Zielsetzung 42 4 Berechnungsansatz und dazugehörige Übertragungsfaktoren 46 4.1 Vorstellung des gegebenen Lastfalls 46 4.1.1 Geometrie einer Dieseleinspritzdüse 46 4.1.2 Probenfertigung 47 4.1.3 Lasten 49 4.2 Formelmäßige Berücksichtigung der Parameter... 52 4.2.1 Lokale Dauerfestigkeit infolge der inhomogenen Materialeigenschaften 52 4.2.2 Mittelspannungseinfluss 56 4.2.3 Eigenspannungseinfluss 59 4.2.4 Oberflächeneinfiuss 61 4.2.5 Spannungsmechanische Stützwirkung 64 4.2.6 Statistischer Größeneinfluss 70 4.2.7 Mehrachsigkeit 76 4.3 Auswahl der Ermittlungsmethode 79 4.3.1 Versuchskonzept 79 4.3.2 Statistische Auswertung 80 4.3.3 Statistische Verteilung der Festigkeitswerte im Dauerfestigkeitsgebiet 81 4.4 Vorstellung der Berechnungsmethode 87 5 Experimentelle Untersuchungen 91 5.1 Versuchsprogramm 91 5.1.1 Bezugskerbgrundfestigkeit 91 5.1.2 Mittelspannungseinfluss unter Innendruckbelastung 92 5.1.3 Härteeinfluss 93 5.1.4 Oberflächeneinfiuss 94
yij 5.1.5 Größeneinfluss 95 5.1.6 Mittelspannungsempfindlichkeit von Rundproben unter Biegebelastung 96 5.1.7 Versuchsprogramm im Überblick 99 5.2 Prüfstandsbeschreibung 101 5.2.1 Hochdruckimpulsprüfstand 101 5.2.2 Resonanzprüfmaschine 103 5.3 Versuchsergebnisse 107 5.3.1 Dauerfestigkeiten 107 5.3.2 Zeitfestigkeit 108 5.3.3 Lebensdauern 110 5.4 Ermittlungsgenauigkeit der Festigkeitsverteilung... 114 5.4.1 Lageparameter 121 5.4.2 Streuparameter 125 5.5 Einfluss der Streuung der Kerbgrundbeanspruchung auf die Dauerfestigkeit 127 5.6 Spannungsanalyse 130 5.7 Fraktographie 136 6 Diskussion der Ergebnisse 138 6.1 Auswertung der Versuchsergebnisse 138 6.1.1 Mittelspannungsempfindlichkeit bei niedrigen Mittellasten 138 6.1.2 Kerbgrundwechselfestigkeit und Härteeinnuss 147 6.1.3 Oberflächeneinfluss 151 6.1.4 Größeneinfluss 156 6.1.5 Mittelspannungsempfindlichkeit für hohe Mittellasten 168 6.2 Auswertung der Berechnung 173 6.2.1 Übertragung auf andere Geometrien 173 6.2.2 Einfluss der Kerbgrundfestigkeiten 183 6.2.3 Vergleich der Verteilungsfunktionen 187 6.2.4 Vergleich der Vergleichsspannungshypothesen 190 6.3 Ableitung einer Bemessungsgrundlage 193
VÜi INHALTSVERZEICHNIS 6.3.1 Extrapolation auf niedrige Ausfallwahrscheinlichkeiten 193 6.3.2 Bewertung des Streuverhaltens 195 6.3.3 Auswahl eines geeigneten Verteilungsmodells. 199 6.4 Betriebsfeste Auslegung 203 7 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