01.10.2021

Simulation eines verformten Achsschenkels

Simulation eines verformten Achsschenkels mit Riss

Quelle: BAM, Fachbereich Integrität von Schweissverbindungen

Projektlaufzeit

01.07.2020 - 21.12.2022

Projektart

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Das Festigkeitspotential der neuen Generation von bainitischen Schmiedestählen soll für für zyklisch belastete Sicherheitsbauteile im Nutzfahrzeugbereich genutzt werden.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

LKW

LKW

Quelle: BAM

Stahlbauteile, wie z. B. Achsschenkel für Nutzfahrzeuge, müssen bestimmten Sicherheitskriterien entsprechen. Auf die neue Generation bainitischer Schmiedestähle können die Praxiserfahrungen aus den bisher eingesetzten Stählen jedoch nicht einfach übertragen werden. Es werden konkrete Kennwerte benötigt. Ein Bemessungs- und Freigabekonzept muss entwickelt werden, das den Anforderungen an den sicheren Betrieb gerecht wird. Dieses Konzept soll die Ausnutzung des Festigkeitspotentials der neuen Generation der bainitischen Schmiedestähle bei gleichzeitiger Wahrung der Betriebssicherheit bei zyklischer Belastung beinhalten.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

Ziel des gemeinsam mit dem Fraunhofer-LBF Darmstadt durchgeführten Projekts ist die Überarbeitung des Sicherheitskonzepts für zyklisch beanspruchte Bauteile im Nutzfahrzeugbereich. Es geht um den Einsatz neuartiger bainitischer Schmiedestähle. Die Teilaufgabe der BAM besteht in der Entwicklung einer tertiären Sicherheitsebene, bei der die mechanische Integrität eines Achsschenkels auch dann noch gewahrt ist, wenn der Fahrer am Verhalten der Lenkung bemerkt, dass am Fahrzeug ein Defekt vorliegt.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

  • Erarbeitung einer analytischen Vorgehensweise und Bereitstellung geeigneter Rechenwerkzeuge
  • Abgleich der Ergebnisse mit experimentell ermittelten Bruchwiderstandswerten (Hochlage und duktil-spröder Übergangsbereich) unter Einbeziehung statistischer Methodik
  • Anwendung einer Korrelation der bruchmechanischen Risswiderstandswerte mit Kennwerten des Kerbschlagbiegeversuchs. Ziel ist die routinemäßige Anwendung bei Herstellern.

Händeschütteln

Quelle: BAM

Träger

Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. (FSV)

Projektpartner

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fraunhofer-LBF in Darmstadt

Förderer

IGF - Industrielle Gemeinschaftsforschung

B³ - Bedeutung der Kerbschlagarbeit für das Bruchverhalten zyklisch belasteter Sicherheitsbauteile aus bainitischem Schmiedestahl

Zu den am stärksten belasteten Bauteilen in Nutzfahrzeugen gehören die Achsschenkel. Die Materialien dieser Sicherheitsbauteile müssen besonders belastbar sein. Bei Überlastung können Risse entstehen, die schließlich zum Achsbruch führen. Sobald in sicherheitsrelevanten Bereichen neue Materialien zum Einsatz kommen, müssen deren Eigenschaften und Kennwerte genau bekannt sein. Um das Festigkeitspotential der neuen Generation der bainitischen Schmiedestähle für zyklisch belastete Sicherheitsbauteile im Nutzfahrzeugbereich ausschöpfen zu können, wird nun ein Bemessungs- und Freigabekonzept entwickelt. So soll der sichere Betrieb gewährleistet und der Transfer von werkstofftechnischen Innovationen ermöglicht werden.

Verformung vor Bruch

Der Grundgedanke für die zu entwickelnde Methodik kann mit „Verformung-vor-Bruch“ bezeichnet werden. Wird der Achsschenkel eines LKW während einer Überlastung über ein bestimmtes Maß hinaus plastisch deformiert, so hat das einen Effekt auf das Lenkverhalten des Fahrzeugs. Dies wird vom Fahrer als Defekt wahrgenommen. Entscheidend ist, dass der Achsschenkel zu diesem Zeitpunkt noch nicht bricht, so dass Zeit für Sicherungsmaßnahmen bleibt. Da nicht ausgeschlossen ist, dass sich im Zuge der Vorbelastung am geometrischen Übergang von Zylinder und Grundplatte ein Riss gebildet hat, erfordert der Festigungsnachweis den Einsatz bruchmechanischer Methoden. Ergebnis der Untersuchungen ist der zu fordernde Mindestrisswiderstand unter Überlastbedingungen, wobei zu unterscheiden ist, ob der Werkstoff in der Hochlage oder im duktil-spröden Übergangsbereich versagt. Anschließend wird eine konservative Korrelation mit Kennwerten des Kerbschlagbiegeversuchs vorgenommen, die die routinemäßige Anwendung des Konzepts erleichtern soll.

Abbildung: Verformter Achsschenkel

Verformter Achsschenkel eines Nutzfahrzeugs. Die für diesen Zustand berechnete Rissspitzenbelastung entspricht dem zu fordernden Mindestrisswiderstand, der mit dem Kriterium „Verformung vor Bruch“ gerecht wird.

Quelle: BAM, Fachbereich Betriebsfestigkeit und Bauteilsicherheit

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Fachbereich Integrität von Schweissverbindungen, Prof. Dr.-Ing. U. Zerbst
Fachbereich Betriebsfestigkeit und Bauteilsicherheit, Dr.-Ing. W. Baer

Projektpartner

BAM - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
LBF - Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit

Förderung

Das IGF-Vorhaben 20873 der Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. (FSV) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

AiF und BMWi Logos

Quelle: AiF und BMWi