Schrauben sind eines der beliebtesten Verbindungselemente im Maschinen- und Anlagenbau. Leider sind Schrauben auch das Maschinenelement mit dem meisten und tiefsten Kerben, was denkbar schlechte Voraussetzungen für eine lange Lebensdauer sind. Die Forschung im Bereich der Schrauben richtet sich auf die Untersuchung der Lebensdauereigenschaften unter bestimmten Betriebszuständen. Analysiert werden der Einfluss von Signalform, Beanspruchungsgeschwindigkeit und der Vorspannkraft auf die Lebensdauer der Schraube als auch der verschraubten Bauteile. Die experimentellen Erkenntnisse dienen zur Erstellung von Konstruktionshinweisen und der Erweiterung von bestehenden Berechnungsmodellen.

Literatur: 

Szlosarek R., Holzmüller P., Kröger M. Analyzing the Fretting Fatigue of Bolt Joints by Experiments and Finite Element Analysis (2023) Lubricants, 11 (8), art. no. 348, https://doi.org/10.3390/lubricants11080348

Szlosarek R., Kröger M. Multiaxial fatigue crack initiation in bolted sheet material (2023) Procedia Structural Integrity, 43, pp. 41 - 46, https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.12.232

Wöllner U., Szlosarek R., Kröger M. Fatigue behavior of agricultural rims under rotating bending load (2022) Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 45 (8), pp. 2143 - 2158, https://doi.org/10.1111/ffe.13720

Szlosarek R., Kröger M. Fatigue behavior of bolted boreholes under various preloads, (2022) Materialpruefung/Materials Testing, 64 (2), pp. 195 – 201, https://doi.org/10.1515/mt-2021-2032

Roth T., Kröger M., Kleibl A.,Increasing the transmissible loads of a slewing ring bolt connection of a construction machine due to a novel arrangement of the bolts (2022) VDI Berichte, 2022 (2403), pp. 237 – 250, https:// doi.org/10.51202/9783181024034 

Seilbahnseile, Bowdenzüge, Stromleitungen, Windenseile und Aufzugsseile sind nur einige Anwendungsgebiete für Drahtseile. Oft kommen Drahtseile in sicherheitskritischen Anwendungen zum Einsatz. Eine sichere Lebensdauervorhersage ist daher essentiell. Um dies zu ermöglichen, beschäftigen sich das IMKF intensiv mit der experimentellen und numerischen Lebensdaueranalyse von Drahtseilen. Unser Ansatz ist den Verseilprozess in der numerischen Berechnung mit einzubeziehen. Somit wird die Geschichte jedes einzelnen Drahtes und damit die plastische Deformation und die Kontaktspannungen zu den anderen Drähten in der Lebensdaueranalyse berücksichtigt.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Analyse von Seiltrieben (zum Beispiel Seilbahnen) hinsichtlich der Kräfte in den einzelnen Stützelementen und der Energiedissipation in verschiedenen Betirebszuständen.

Literatur

Wetzel A., Clausnitzer P., Szlosarek R., Eickhoff B., Kröger M. Modeling of wire strands considering the stresses due to stranding, (2023) Procedia Structural Integrity, 46, pp. 10 – 16 https://doi.org/10.1016/j.prostr.2023.06.003 

Szlosarek R., Yan C., Kröger M., Nußbaumer C. Energy efficiency of ropeways: a model-based analysis (2019) Public Transport, 11 (3), pp. 617 - 635, DOI: https://doi.org/10.1007/s12469-019-00212-1

Additive gefertigte Bauteile ermöglichen den Designfreiraum wie kaum ein anderes Fertigungsverfahren. Die Optimierung des Designs additiv gefertigter Bauteile erfolgt vielfach hinsichtlich einer Optimierung hinsichtlich Steifigkeit und Masse. Für eine optimale Betriebsfestigkeit liegt das Ziel liegt in einer lebensdaueroptimierten Topologieoptimierung. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der schlechten Oberflächenqualität additiv gefertigter Bauteile. Eine raue Oberfläche führt schneller zur einem Ermüdungsriss als glatte Oberflächen. Nach der Ermittlung zwischen der Oberflächenqualität und der Lebensdauer werden die gebräuchlichen Lebensdauermodelle dahingehend erweitert, dass die Eigenschaften der Oberfläche in der Berechnung berücksichtigt werden. Im Zuge dessen ist es möglich lokale Nachbearbeitungen kritischer Positionen zu definieren.

Lagerkäfige

Jahrzehnten hat große Innovationen bei der Fertigung und der Materialauswahl hervorgebracht. Die Tragzahlen sind bei gleichen Lagergrößen stark gestiegen. Für gleiche Belastungen können heute kleinere Lager verwendet werden als vor 20 Jahren. Ein mögliches Schadensbild ist ein Ermüdungsbruch des Käfigs, begünstigt durch ungünstige Betriebszustände. Im Rahmen von experimentellen und numerischen Untersuchungen werden verschiedene Käfigdesign analysiert und hinsichtlich der Eignung für zyklische, schlagartige Belastungen bewertet.

Literatur

Kröger M., Szlosarek R., Pätzold F., Thiele S. Entwicklung von Wälzlagerkäfigen in Antriebssträngen für schienengebundene Triebfahrzeuge (2017), Eisenbahntechnische Rundschau 9, pp. 46-49

Oft versagen Maschinenbauteile unter speziellen und seltenen Lastsituationen, welche nur schwer vorhergesagt werden können. Die Herausforderung, der wir uns stellen, ist die Reproduktion der Schadensfälle. So ermöglichen wir unter reproduzierbaren Laborbedingen eine Analyse der Belastungssituation, um nachfolgend Abhilfemaßnahmen zu definieren und zu erproben. Dabei arbeiten wir unter anderem mit multiaxialen Belastungen, welche proportional oder nicht proportional mit variablen Frequenzen und Signalformen eingebracht werden können.

• Lastanalyse ausgehend vom Betriebszustand
• Prüfstandsentwicklung und Prüfstandsbau
• Bauteilprüfung und Auswertung
• Prüfung von metallischen Bauteilen, Bauteilen aus Kunststoff oder Elastomeren

Neben einer klassischen, spannungsbasierten oder dehnungsbasierten Lebensdaueranalyse beschäftigen wir uns mit gezielten Erweiterungen von Lebensdauermodellen. Dies umfasst den Einfluss der Reibung, der Mehrachsigkeit und der Oberflächenqualität. Ausgehend von einer Finite-Elemente Berechnung erfolgt die Lebensdauerberechnung mit kommerziellen als auch selbst entwickelten Berechnungsmodellen.