Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hitze verkürzt das Leben – Neues Konzept verbessert Lebensdaueranalysen von Elastomerbauteilen

11.12.2014

Komponenten aus Elastomeren bieten das Optimum bei der Schwingungsdämpfung - eine Eigenschaft, die sie vor allem in der Automobilindustrie sehr beliebt macht. Aber wie reagieren sie auf wechselnde Temperaturen, und wie wirkt sich ihr Verhalten auf die Betriebsfestigkeit und die Lebensdauer aus? Fragen, die bislang nicht oder nur unzureichend in der Entwicklung solcher Komponenten berücksichtigt werden.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF sind der temperaturabhängigen Ermüdungslebensdauer von Elastomerbauteilen auf den Grund gegangen. Innerhalb des AiF-Forschungsprojektes „Thermomechanische Schädigungsmechanismen Elasto-Opt“ konnten sie die entscheidende Rolle der Temperatur bei der Lebenszyklusprognose von Elastomerkomponenten nachweisen.


Prüfung von Materialproben auf unabhängigen Prüfachsen, angetrieben von elektro-mechanischen Aktuatoren.

Mit diesem Ansatz integrierten die Wissenschaftler die Temperatur als beeinflussenden Parameter in allen Bereichen der rechnerischen Betriebsfestigkeitsanalyse. Damit eröffnen sich der Automobilindustrie neue Möglichkeiten, die Lebensdauer von Bauteilen zu prüfen.
Immer höher werden die Ansprüche an die Aussagekraft numerischer Lebensdaueranalysen, wenn Bauteile betriebsfest konstruiert und ausgelegt werden.

Um diese Anforderung zu erfüllen, müssen die in der Industrie angewandten rechnerischen Methoden noch stärker auf alle für die Betriebsfestigkeit maßgeblichen Einflussfaktoren eingehen. Speziell für Elastomere ist dies nicht nur die mechanische, sondern zu einem signifikanten Anteil auch die thermische Beanspruchung. So verhindern beispielsweise immer kleinere Einbauräume das Abkühlen von Baugruppen durch den Luftstrom.

Strahlungswärme vom Motor und aus dem Abgassystem führt zu einer größeren Erhitzung der umliegenden Komponenten, was bei Elastomerkomponenten zu einer Verringerung der Ermüdungsfestigkeit führt.

Erfassung des Temperatureinflusses

Heute kommen bei der Lebensdauerabschätzung von Elastomerbauteilen standardisierte Verfahren wie die Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner zum Einsatz. Dabei stehen die mechanischen Beanspruchungen im Vordergrund, sie gehen aber nicht auf etwaige Temperaturänderungen während des Betriebes ein. Gerade diese sind aber bei Elastomerbauteilen von Bedeutung. Wärme und ihre Folgen standen beim Forschungsprojekt „Elasto-Opt“ im Fokus.

Sie kann durch die Umgebung, wie beispielsweise durch die Abstrahlwärme des Motors, oder durch die eigene Bewegung entstehen. Elastomere haben ein viskoelastisches Materialverhalten und können je nach Mischung große Dehnungen ohne Probleme ertragen. Bei möglichst großer oder schneller Beanspruchung erwärmt sich das Material durch innere Reibung. Dieses Verhalten hat bei Versuchen mit Werkstoffproben unter Raumtemperatur zu Oberflächentemperaturen von über 80°C geführt.

Im Rahmen des Forschungsprojektes „Elasto-Opt“ konnten die LBF-Wissenschaftler zeigen, wie sich Temperaturänderungen auf die Lebensdauer von Werkstoffproben und Bauteilen auswirken. Anhand einer Elastomermischung auf Naturkautschukbasis bestimmten sie mit Materialtests das Zusammenspiel zwischen der Oberflächentemperatur, Lastamplitude und Belastungsfrequenz.

Die Ergebnisse zeigten anhand der Werkstoff-Wöhlerlinien einen deutlichen Lebensdauerabfall bei erhöhter Oberflächentemperatur. Um die nötigen Rückschlüsse herstellen zu können, absolvierten die Darmstädter Forscher ein umfangreiches Versuchsprogramm mit einer einfachen Werkstoffprobe und zwei im Automobilbereich üblichen Elastomerlagertypen. Alle Versuche wurden jeweils mit einer niedrigen und einer hohen Oberflächentemperatur durchgeführt. Es entstand eine Vielzahl temperaturkonstanter Wöhler- und Gaßnerlinien.

Neues Konzept zur temperaturabhängigen Lebensdaueranalyse

Alle experimentellen Ergebnisse zog das Fraunhofer LBF anschließend für einen Vergleich numerischer Methoden zur Lebensdauerabschätzung heran. Anhand der gewonnenen Daten erstellte das Team ein Konzept zur temperaturabhängigen Lebensdaueranalyse, das die üblichen Methoden zur Schätzung der Ermüdungslebensdauer modifiziert.

Das Konzept wurde auf seine grundlegende Funktionalität hin überprüft und mit den aus dem Projekt entstandenen experimentellen Daten validiert. Damit lässt sich die Ermüdungslebensdauer der Komponenten mit Hilfe des örtlichen Konzepts und temperaturabhängiger Werkstoff-Wöhlerlinien als Basis vorhersagen. Dieser neue Ansatz integriert die Temperatur als beeinflussenden Parameter in allen Bereichen der rechnerischen Betriebsfestigkeitsanalyse.

Angesichts des Potentials dieser Konzeptidee ist ein Folgeprojekt bei der AiF beantragt. Darin soll das erarbeitete Konzept durch Untersuchungen an weiteren Elastomermischungen und Bauteilen validiert werden. Darüber hinaus sollen im Projekt Anwendungsempfehlungen abgeleitet und Konzeptgrenzen identifiziert werden.

Das Fraunhofer LBF entwickelt, bewertet und realisiert im Kundenauftrag maßgeschneiderte Lösungen für maschinenbauliche Komponenten und Systeme, vor allem für sicherheitsrelevante Bauteile und Systeme. Der Leichtbau steht dabei im Zentrum der Überlegungen. Neben der Bewertung und optimierten Auslegung passiver mechanischer Strukturen werden aktive, mechatronisch-adaptronische Funktionseinheiten entwickelt und proto-typisch umgesetzt.

Parallel werden entsprechende numerische sowie experimentelle Methoden und Prüftechniken vorausschauend weiterentwickelt. Die Auftraggeber kommen aus dem Automobil- und Nutzfahrzeugbau, der Schienenverkehrstechnik, dem Schiffbau, der Luftfahrt, dem Maschinen- und Anlagenbau, der Energietechnik, der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Medizintechnik, der chemischen Industrie und weiteren Branchen. Sie profitieren von ausgewiesener Expertise der rund 500 Mitarbeiter und modernster Technologie auf mehr als 11 560 Quadratmetern Labor- und Versuchsfläche an den Standorten Bartningstraße und Schlossgartenstraße.

Redaktion:
Anke Zeidler-Finsel
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Institutsleiter (komm.): Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz
Bartningstraße 47
64289 Darmstadt
Telefon +49 6151 705-268
www.lbf.fraunhofer.de  
anke.zeidler-finsel@lbf.fraunhofer.de

Weiterer Ansprechpartner Presseservice:
Peter Steinchen
Telefon +49 761 38 09 68-27
steinchen@solar-consulting.de
Solar Consulting GmbH

Wissenschaftlicher Kontakt:
Thomas Kroth
Telefon +49 6151 705-628
thomas.kroth@lbf.fraunhofer.de
Fraunhofer LBF

Anke Zeidler-Finsel | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Materialwissenschaft: Widerstand wächst auch im Vakuum
22.06.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften