O+P Fluidtechnik 5/2016

KONSTRUKTION
ENTLASTUNG
Nach der Entlastung zeigt sich der Eigenspannungszustand im Bauteil.
Die plastifizierten Bereiche werden durch die elastische Verformung
des äußeren Materials komprimiert. Die Folge sind Druckeigenspannungen.
Diese werden durch Zugeigenspannungen im
umgebenden, äußeren Material kompensiert. Zum Teil können die
auftretenden Druckeigenspannungen betragsmäßig größer als die
Streckgrenze sein. Da innere Druckspannungen nicht zur Bildung
von Rissen und zum Versagen des Bauteils führen, gehen hiervon
zunächst keine negativen Einflüsse aus.
Wie auch bei Pressverbänden ist das Nebenprodukt der Autofrettage
eine Verformung des Bauteils im lastfreien Zustand. Auch
wenn die Verformungen im Allgemeinen sehr gering sind, müssen
gegebenenfalls Maßkorrekturen vorgenommen werden, um nach
der Autofrettage Toleranzanforderungen zu erfüllen. Die notwendigen
Korrekturen können mit Hilfe der FE-Simulation prognostiziert
werden.
BETRIEBSLAST NACH AUTOFRETTAGE
Bei erneuter Belastung mit maximaler Betriebslast werden die
auftretenden Spannungen in den kritischen Zonen durch die
Druckeigenspannungen überlagert. Im gezeigten Beispiel liegen
die Spannungsspitzen im gesamten Bauteil deutlich unterhalb der
Streckgrenze.
Insgesamt wurden durch die Autofrettage die maximalen Vergleichsspannungen
von 710 MPa bei linearelastischer Auslegung
auf 288 MPa und damit um 60 % reduziert. Eine anschließende
Dauerfestigkeitsanalyse bestätigt, dass der Zylinder nach der Autofrettage
dauerfest ist.
3.1.2 VALIDIERUNG
Bei aller Begeisterung für moderne Simulationstechniken darf der
Praxisbezug nicht fehlen. FE-Tools sind mächtig, aber auch gefährlich,
denn sie suggerieren vertrauenswürdige Ergebnisse. Die Qualität
der Ergebnisse ist jedoch immer nur so hoch, wie die Qualität
der Eingangsdaten; alle Randbedingungen und Modelle müssen
10 Vergleichsspannungen einer linearelastischen Analyse des
Common-Rails bei 2 000 bar
mit Sorgfalt gewählt und überprüft werden. Hier bedarf es eines
versierten, erfahrenen Berechnungsingenieurs, der neben seinen
Fachkenntnissen auch einen starken Bezug zur Praxis hat. Nötigenfalls
müssen die Kompetenzen durch ein entsprechendes Team
abgedeckt werden. Je komplexer das Simulationsmodell ist und je
mehr vereinfachte Annahmen getroffen werden, desto wichtiger ist
eine anschließende Validierung der Ergebnisse.
Im beschriebenen Anwendungsfall wurde der Zylinder vor und
nach der Autofrettage vermessen und die Daten mit den Verformungen
des Simulationsmodells verglichen. Damit konnten die
Randbedingungen sowie die Parameter des vereinfachten Materialmodells
validiert werden. Zudem konnten anhand der Fließlinien
des autofrettierten Bauteils (siehe Bild 08) die Bereiche maximaler
plastischer Verformung lokalisiert und so die Simulationsergebnisse
auch qualitativ überprüft werden.
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
08 Fließlinien am autofrettierten Zylindergehäuse
09 Common-Rails und Modell des kritischen Bereichs am
Injektor-Anschluss (Quelle: EET Engines)
3.2 BEISPIEL: COMMON-RAIL
Im zweiten Beispiel wird ein Teil eines Common-Rail-Systems
(Direkteinspritzsystem für Verbrennungsmotoren) betrachtet, dessen
Komponenten klassischerweise autofrettiert werden, um Drücken
von bis zu 3 000 bar standzuhalten. Das Rail dient als Verteilerrohr für
die Injektoren und als Druckspeicher. Einer der kritischen Bereiche
sind die Querbohrungen in den Anschlussstutzen der Injektoren
(siehe Bild 09). Dieser Bereich wird im Folgenden genauer analysiert.
Für die folgenden Untersuchungen wird als Werkstoff der Stahl
20MnCr5 angenommen, dessen Streckgrenze etwa bei 650 MPa
liegt. Der maximale Betriebsdruck soll 2 000 bar betragen.
In Bild 10 sind die Ergebnisse der linearelastischen Analyse dargestellt.
Die höchsten Spannungen konzentrieren sich auf den Bereich
am Bohrungsübergang und betragen über 1 000 MPa. Das Problem
bei der Gestaltoptimierung derartiger Geometrien ist, dass zur
Reduktion der Spannungen die Innenkontur des Bohrungsverschnittes
verrundet werden müsste. Dies ist jedoch fertigungstechnisch
schwer realisierbar und kostenintensiv. Eine Erhöhung der Wandstärke
führt zwar zu einer höheren Rohrsteifigkeit und folglich zu einer
Reduktion der Spannungen; um beispielsweise die Spannungen zu
halbieren wird jedoch die doppelte Wandstärke benötigt. Dies ist aus
technischen und wirtschaftlichen Gründen unerwünscht.
Durch die Autofrettage werden die lokalen Spannungsüberhöhungen
effizient abgebaut. Wie in Bild 11 dargestellt, führt ein
zunehmender Autofrettagedruck zu einer Spannungsreduktion, bis
80 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 5/2016