Betriebsfestigkeit

Die Betriebsfestigkeit beschäftigt sich mit der betriebsfesten und dauerfesten Auslegung von Bauteilen. Das Ziel dieser Auslegung ist es die Lebensdauer eines Bauteils zu ermitteln. Dadurch soll das optimale Maß aus Leichtbau und Widerstandsfähigkeit gefunden werden.

Auslegung von Bauteilen

Notwendigkeit von Betriebsfestigkeitsnachweisen

Die Betriebsfestigkeit betrachtet das Versagensverhalten von Bauteilen bei zyklischer Beanspruchung.

Bauteile, Werkstoffe und Gesamtsysteme sind in der Regel sowohl statischen, als auch dynamischen Belastungen ausgesetzt. Die statische Belastung bezieht sich dabei auf das ruhende System. Die dynamische Belastung bezieht sich auf das bewegte System z.B. schwingende oder schlagende Beanspruchung. Außerdem hat diese einen größeren Einfluss auf das Gesamtsystem, wodurch ein Versagen meist auch schon bei geringeren Spannungen auftritt.

Daher muss neben einem statischen Festigkeitsnachweis immer auch ein dynamischer Nachweis durchgeführt werden.
Dieser Festigkeitsnachweis wird in zwei Arten der Beanspruchungsamplitude unterteilt:

zeitlich kontante Beanspruchungsamplitude:
Durchführung mit Wöhlerversuchen (Einstufenschwingversuche).
zeitlich veränderliche Beanspruchungsamplitude:
Nachfahrversuche bzw. Betriebsfestigkeitsversuche

Experimentelle Ermittlung der Betriebsfestigkeit

Verfahren zur Bestimmung der Betriebsfestigkeit

Wöhlerversuche

Ein Dauerschwingversuch bei konstanter Lastamplitude wird auch Wöhlerversuch genannt. Während dieses Versuchs wird ein Bauteil oder eine Probe zyklisch, oft mit einer sinusförmigen Belastungs-Zeit Funktion, belastet. Das heißt, dass sich die Belastung innerhalb einer Schwingperiode verändert und anschließend wiederholt.

Nachfahrversuche

Um auch eine Belastung mit zeitlich veränderlicher Amplitude in der Prüfung zu berücksichtigen, werden sogenannte Nachfahrversuche oder auch Betriebslastnachfahrversuche durchgeführt.
Dazu wird zunächst ein realitätsnahes Lastsignal des Bauteils aufgenommen. Hierbei müssen das spätere Einsatzgebiet und der damit verbundene Untergrund (z.B. Autobahn, Feldwege, etc.) berücksichtigt werden.

Anschließend kann das aufgezeichnete Signal mit einem Regler reproduzierbar dargestellt und auf einem Versuchsstand nachgefahren werden. Dies ermöglicht es bei späteren Versuchen den Lasteinfluss an Einzelkomponenten zu testen.

Versuche mit standardisierten Lastfolgen

Aus den Ergebnissen der Nachfahrversuche haben sich über die Zeit standardisierte, prüfteilspezifische Lastfolgen ergeben, welche international zur Messung der dynamischen Beanspruchung verwendet werden.

Einflüsse auf die Betriebsfestigkeit

Belastungsart (Zug, Druck, Biegung, Torsion)
Prüfbedingungen (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Korrosion)
Konstruktion (Kerben, Gewinde, Radien)
Fertigungsverfahren (Schweißnähte)
Materialbeschaffenheit (vergütet, gehärtet)

Neben diesen Einflussparametern, spielt auch das Material des Bauteils eine wichtige Rolle in der Betriebsfestigkeit. Beispielsweise haben Baustahl und CFK eine deutlich höhere Dauerfestigkeit als Kunststoff und GFK.

Begriffserklärung

Dauerfeste Auslegung:
Das Bauteil muss die schwingende Beanspruchung dauernd, also beliebig oft, ohne Bruch ertragen können.
Betriebsfeste Auslegung:
Das Bauteil muss die schwingende Beanspruchung für die Nutzungsdauer des Bauteils, also für einen begrenzten Zeitraum, sicher ohne Versagen ertragen können.

Schwingspiel:

Schwingspiel : Ein Durchlauf der unterschiedlichen Spannungszustände der Prüfung bei konstanter Lastamplitude.

Schwingspielzahl : Die Gesamtheit der wiederholten Schwingspiele.

S – Nennspannung
Sₒ – Oberspannung
Sₘ – Mittelspannung
Sₐ – Spannungsamplitude
2⋅Sₐ – Schwingbreite

Wie können wir Ihnen weiterhelfen?

Wenn es darum geht, Ihre Produkte, Bauteile oder Baugruppen auf ihre Belastbarkeit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu prüfen, so haben wir die richtige Lösung. Bitte schildern Sie uns kurz Ihr Problem, wir melden uns gerne zeitnah bei Ihnen!