Temperaturabhängige Lebensdauerprognose für Elastomerbauteile.

Elastomere, Lebensdauerberechnung, Bauteilprüfung, Konzeptentwicklung

Wissenschaftler haben den Auslegungsprozess von Elastomerbauteilen verbessert und auf den jeweiligen Einsatzzweck zugeschnitten.

Elastomere kommen in vielen Anwendungsgebieten vorwiegend zur Dämpfung von Schwingungen zum Einsatz. Ihre Betriebstemperatur liegt i.d.R. zwischen -50 °C und 150 °C. Im Betrieb ist die Temperaturentwicklung jedoch nicht nur von der Umgebungstemperatur abhängig, sondern signifikant von der Eigenerwärmung aufgrund der dissipierten Energie unter zyklischer Belastung. Die dissipierte Energie wird maßgeblich durch die Materialeigenschaften beeinflusst. Die Temperaturerhöhungen wirken sich auf das mechanische Verhalten und somit auf die Lebensdauer aus und sollten deshalb im Auslegungsprozess Berücksichtigung finden. Die AiF-Projekte »Elasto-Opt I und II« wurden in Koorperation zwischen der Technischen Universität Darmstadt, der Universität der Bundeswehr München und dem Fraunhofer LBF bearbeitet und beschäftigten sich mit der Erfassung und Berücksichtigung dieser Temperaturabhängigkeit in der FEM-Simulation und den Methoden zur Lebensdaueranalyse. Das Ergebnis ist ein anwendungsreifes Konzept zur temperaturabhängigen Lebensdauerprognose von Elastomerbauteilen.

Naturkautschuk und dessen Verhalten unter Temperatureinfluss

In den Projekten wurden insgesamt drei Elastomermischungen auf Naturkautschukbasis (NR) mit den Härten 43, 60 und 68 Shore-A hinsichtlich ihrer charakteristischen Eigenschaften sowie ihres Lebensdauerverhaltens unter Temperatureinfluss experimentell untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, dass wichtige Materialeigenschaften wie die Viskoelastizität in Form vom Relaxationsverhalten deutlich abhängig von der Materialtemperatur sind. Hinsichtlich der Lebensdauer konnte ebenfalls eine deutliche Temperaturabhängigkeit insbesondere bei Bauteilversuchen festgestellt werden. Ebenso bestätigten die Materialuntersuchungen, dass sich das Materialverhalten von Elastomeren mit gleicher NR-Basis aber unterschiedlichen Mischungsrezepturen signifikant voneinander unterscheidet. So wurden bei den drei Elastomermischungen große Unterschiede in der Ausprägung des Mullins-Effektes, der Steifigkeit und der Hysteresefläche, welche maßgebend die Dämpfung bestimmt, festgestellt. Diese Unterschiede hängen u.a. mit der Shore-A-Härte zusammen, die vorwiegend über den Rußanteil eingestellt wird. Hinsichtlich der Eigenerwärmung führt dies ebenfalls zu großen Unterschieden. Bei den Elastomermischungen mit geringer Dämpfung wurden bei zyklischer Beanspruchung Prüfkörpertemperaturen von ca. 40 °C auf der Oberfläche gemessen, wohingegen bei der hochdämpfenden Mischung Temperaturen bis zu 55 °C festgestellt wurden.

Neues Konzept zur temperaturabhängigen Lebensdauerprognose von Elastomerbauteilen

Zur Berücksichtigung der Temperatur im rechnerischen Auslegungsprozess, wurde im Projekt Elasto-Opt I, in Kooperation der Technischen Universität Darmstadt mit dem Fraunhofer LBF, der Grundstein gelegt. Der Prototyp eines Konzeptansatzes zur temperaturabhängigen Lebensdaueranalyse wurde vorgestellt. Im Folgeprojekt Elasto-Opt II wurde dieses Konzept zur Anwendungsreife hin weiterentwickelt und mit Versuchsergebnissen validiert.

Die Besonderheit des neuen Konzeptes ist die automatisierte Einbeziehung von variablen Temperaturen in der linearen Schadensakkumulation. Im Gegensatz zu den in der gängigen Praxis bevorzugten »worst-case« Prognosen mit lediglich konstanten Temperaturen, kann hiermit die Bauteillebensdauer von Elastomeren in Bezug auf Temperatureinflüsse realitätsnah abgebildet werden.

Ein wichtiger Baustein dieses Konzeptes ist das vom Projektpartner, der Universität der Bundeswehr München, entwickelte Materialmodell der finiten Thermoviskoelastizität für die Anwendung in der FEM-Simulation. Dieses Materialmodell kann die Eigenerwärmung von Elastomeren berechnen und fließt in die neu entwickelte Methode zur rechnerischen Abschätzung von Bauteiltemperaturen ein. Diese erlaubt es, die bei Betriebslasten typisch langen Last-Zeit-Verläufe, recheneffizient zu verarbeiten und in analytischer Weise den Temperaturverlauf auf der Oberfläche abzuschätzen. Im Projekt Elasto-Opt II konnten mit dieser Methode die Oberflächentemperaturen von durchgeführten Bauteilversuchen unter variablen Umgebungstemperaturen erfolgreich abgeschätzt werden.

Abb. 1: Vergleich der Lebensdauerberechnungen unter Verwendung von konstanten und variablen Temperaturen, in Form der relativen berechneten Lebensdauern bezogen auf das Experiment (OTexp: experimentelle Oberflächentemperatur, UT: Umgebungstemperatur, OTrech: berechnete Oberflächentemperatur)

Letztendlich führte die Integration von berechneten oder experimentellen variablen Temperaturverläufen in die Lebensdauerprognose zu einer signifikanten Verbesserung der Ergebnisse. In Abb. 1 sind die zum Experiment (rot) relativen Abweichungen der berechneten Lebensdauern mit konstanten (gelb, dunkelrot) und variablen Temperaturen (blau, grün) dargestellt. Es zeigt sich, dass die konstanten Temperaturen die Lebensdauer erwartungsgemäß über- oder unterschätzen, wohingegen die Einbeziehung realitätsnaher Temperaturverläufe zu einer sehr guten Vorhersage führen.

Kundennutzen

Das erarbeitete Konzept leistet einen deutlichen Beitrag zur Verbesserung des Auslegungsprozesses von Elastomerbauteilen hinsichtlich der Temperatureinflüsse. Diese Verbesserung ermöglicht den Kunden die Bauteile im Entwicklungsprozess gezielter auf den jeweiligen Einsatzzweck zu konzipieren, um damit die Zuverlässigkeit der Bauteile zu erhöhen und letztlich Ressourcen zu schonen.

Förderer und Partner

Dieses Projekt der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und-entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

»Gute Lebensdauerprognosen werden nur erzielt, wenn die maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Lebensdauer im Betrieb berücksichtigt werden. Elastomerbauteile sind oft im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt, z.B. im Motorraum. Mit Hilfe des vorgestellten Konzepts wird die Lebensdauer durch die Berücksichtigung der Temperatur im Auslegungsprozess exakter prognostiziert.« Gabriela Parra Pelaez, M. Sc.

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