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Cockpit eines Autos von Innen im Stadtverkehr

Praxisbeispiele Branche: Mobilität

Cockpit eines Autos von Innen im Stadtverkehr© lzf
Kunststoffkomponenten sind im Bereich moderner Mobilität nicht wegzudenken. Durch detaillierte Analysen lassen sich im Schadensfall Materialfehler beheben und so zur Sicherheit und Langlebigkeit von Transportmitteln und Fahrzeugen beitragen.
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Untersuchung zur Betriebsfestigkeit

von Halteklauen für Stromschienen

Bild 1: Versuchsanordnung im Dauerschwingversuch an Halteklauen | Bild: IKV IKV

Problemstellung: Bauteilprüfung zur Untersuchung der Betriebsfestigkeit von Halteklauen

Für den Fahrbetrieb der Wuppertaler Schwebebahn sind sogenannte Halteklauen aus einem 30 % glasfaserverstärktem Polyamid 6 (PA6 GF30) im Einsatz, die die Stromschiene im Verlauf der gesamten Fahrstrecke konstruktiv befestigen. Um die Stromschiene zu umgreifen sind die Halteklauen paarweise angeordnet. Durch Montagevorgänge sowie den Betrieb der Bahn erfahren die Halteklauen sowohl statische Lasten aufgrund des Eigengewichts der Schiene als auch schwingende Lasten bei Überfahrten der Personenzüge. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit unterschiedlicher Abmusterungen einer neuen Charge werden die Halteklauen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften bei statischer und dynamisch-zyklischer Last charakterisiert. Chargenüberprüfungen sind aufgrund regelmäßiger Wechselintervalle angezeigt.

Analysemethode: Quasistatische Prüfung und Dauerschwingversuche auf Basis von Feldversuchen

Laborversuche dienen der experimentellen Ermittlung des Kraft/Dehn-Verhaltens und der späteren Korrelation mit statischen Belastungen im Einbauzustand (Feldversuch) sowie der statischen Belastungen in Verbindung mit Montageprozessen, wie beispielsweise Einhängen, Einbiegen einer Kurvenlage oder Hammerschläge.

Aus weiteren Feldversuchen werden dynamische Belastungen ermittelt, die bei Überfahrten mit Personenzügen herrschen. Die aus beiden Feldversuchen ermittelten Mittel- und Spitzenlasten fließen als Eingangsparameter für dynamisch-zyklische Dauerschwingversuche im Einbauzustand ein und dienen der Überprüfung der Betriebsfestigkeit.

Ergebnis: Bestätigung der Betriebsfestigkeit unter Laborbedingungen

Ergebnis der Feldversuche, aus denen die Dehnungen an der Halteklaue ausgehend von Montageprozessen (1-3 Einhängen der Schiene, 4 Einbiegen einer Kurvenlage und 5 Hammerschläge) hervorgehen. IKV

Basierend aus den in Feldversuchen ermittelten Dehnungsbelastungen anhand von Montage- und Überfahrprozessen können in Korrelation mit den Laborversuchen Mittellasten und Spitzenlasten für den dynamischen Dauerschwingversuch zugeordnet werden. Ausgehend hiervon werden Halteklauen bei im Mittel 2.500 N +/- 700 N dynamisch-zyklisch für bis zu 5 Mio. Lastwechsel belastet. Alle untersuchten Halteklauen-Paare erreichen, ohne sprunghafte Eigenschaftsveränderungen, die Ziellastspielzahl von 5 Mio. Lastwechseln, woraus sich eine abgeschätzte Betriebsfestigkeit von ca. 12 Jahren ergibt. Da Wechselintervalle im Wartungsplan nach zehn Jahren eingeplant werden, können die Halteklauen gemäß ihrer Bestimmung eingesetzt werden.

Ermittlung des

Dämpfungsverhaltens von Lagerwerkstoffen

Schifffahrt [Polarstern: Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung] und Schiffsrumpf mit Antriebswelle IKV

Problemstellung: Ermittlung des Dämpfungsverhaltens von Lagerwerkstoffen

Im Antriebsstrang von Schiffswellen, die größenmäßig zwischen Motoryacht, Kreuzfahrtschiff und Eisbrecher eingeordnet werden können, befinden sich wasser-geschmierte Lagerlösungen auf Basis von thermoplastischem Polyurethan TPU, ein für diese Anwendung weitestgehend neuer Werkstoff. Typischerweise werden diese Werkstoffe im Gieß- oder im Spritzgießverfahren gefertigt.

Um einordnen zu können, wie sich die Schiffswelle bei schwerem Seegang verhält, werden die Dämpfungseigenschaften des TPU-Materials ermittelt. Zur besseren Einordnung werden Werkstoffe mit für die Anwendung bekannten Eigenschaften einbezogen (z.B. PTFE, PA 6.6).

Methodik: zyklische Druckversuche auf dem Hydropulser

  • Dynamisch zyklischer Schwingversuch mittels Hydropulser IKV

    Entnahme zylindrischer Prüfkörper aus Lagern

  • Dynamisch-mechanische Analyse zur Einordnung des Temperatureinsatzbereiches am TPU-Werkstoff

  • Ermittlung der Dämpfungseigenschaften bei unterschiedlichen Stauchungsniveaus unter dynamisch zyklischer Druck-Schwell-Beanspruchung

  • Abbildung der Realfälle: normaler Seegang mit 1 % Stauchung, schwerer Seegang mit 2 % Stauchung.
  • Vergleich des Dämpfungsvermögens der Werkstoffe

Ergebnis: Breites Spektrum an Dämpfungseigenschaften erfasst

Dehnungserfassung in der Langzeitprüfung IKV

Im Endergebnis zeigen alle untersuchten TPU-Werkstoffe in dem für das PTFE und PA 6.6 aufgespannte Wertespektrum Dämpfungen zwischen 0,02 < tan d < 0,16. Von Vorteil wird eine möglichst hohe Dämpfung bewertet, die die auftreffende Energie in Form von Schlägen auf die Welle sinnvoll abdämpft („abfedert“) und in Wärme umwandelt. So können zukünftig anhand der ermittelten Eigenschaften Werkstoffe abgestimmt auf die jeweilige Funktion ausgewählt werden.

Rissfortschritt

an einer CFK-Motorhaube

Automobil mit Motorhaube aus CFK (kohlefaserverstärkter Kunststoff) IKV

Problemstellung: Versagensverhalten von CFK beschreiben

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden aufgrund ihres Potentials im Leichtbau bereits heute vielfältig in der Automobilindustrie eingesetzt. Die Komponenten weisen bei entsprechender Auslegung Prinzip bedingt eine hervorragende Steifigkeit auf. In den einzelnen Schichten dieser oft hochbelasteten Bauelemente führen ungünstige Orientierung und Konzentration der zu übertragenden Kräfte zum Versagen des Verbunds. In Testverfahren, die die speziellen Anforderungen aus Anwendung, Werkstoff und Verarbeitung berücksichtigen, ist das Versagensverhalten zu analysieren.

Methodik: Weiterreißverhalten prüfen

Entsprechend der beschrieben Problemstellung ist das Trennverhalten von CFK Komponenten innerhalb der Schichten zu analysieren. Hierzu wird unter anderem das Weiterreißverhalten in Anlehnung an die Norm ASTM 5528 ermittelt. Der Probekörper wird als Verbund durch das festgelegte Fertigungsverfahren erstellt und falls erforderliche in definiertem Klima konditioniert. Zusätzlich wird eine definierte Vorschädigung innerhalb der zu untersuchenden Schicht erzeugt.

Zur Adaption des Prüfkörpers in die verwendete Universalprüfmaschine wird eine Vorrichtung genutzt, die den Verbund mit der typischen Weiterreißbelastung beaufschlagt. In Abhängigkeit von aufgeprägter Last, Dauer der Lasteinbringungen und der gewählten Belastungsgeschwindigkeit wird das laminare Versagensverhalten des Verbundes ermittelt.

Universalprüfmaschine mit Vorrichtung, die den Verbund mit der typischen Weiterreißbelastung beaufschlagt IKV

Ergebnis: Vergleichbare Kennwerte

Auf Basis dieser Untersuchungen wird eine effiziente Nutzung der Komponenten über das Gesamtbauteil angestrebt. Durch detaillierte Kenntnis des Verhaltens der Gesamtkomponente bei einer Vorschädigung ist mit punktgenauen Optimierungen der wirtschaftliche Nutzen gezielt zu steigern.

Untersuchung

von Kunststoff-Kraftstofftanks

Problemstellung: Reduzierung der Barriereschichtdicke im Quetschnahtbereich

Kunststoffkraftstofftanks bestehen zumeist aus einem PE/EVOH/Haftvermittler – Multilayersystem. Die Tankherstellung erfolgte im Extrusionsblasformverfahren bzw. im Halbschalenverfahren. Prozessbedingt ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Barriereschichtdicke (EVOH) im Quetschnahtbereich, wodurch diese Bereiche eine bedeutend reduzierte Barrierewirkung haben, die zulassungsgefährdend sein kann.

Mithilfe mikroskopischer Untersuchungen der EVOH-Schicht im kritischen Bauteilbereich soll die Wirkung der Variation von Prozessparametern geprüft werden, um einen dahingehend optimalen Betriebspunkt zu identifizieren.

Dünnschnittaufnahme von Kunststoffkraftstofftank im Quetschnahtbereich IKV

Methodik: Mikrotomschnitte mit selektiver Phasenkontrastierung

Zunächst erfolgte eine Dünnschnitterstellung senkrecht zum Verlauf der Quetschnaht bei Raumtemperatur. Da die einzelnen Schichten der Tankwand im Dünnschnitt kaum Kontraste ausbilden, wurde eine selektive Phasenkontrastierung der EVOH-Schicht in einer Farbstofflösung vorgenommen.

Die hygroskopische Eigenschaft des EVOH bewirkt eine Farbstoffaufnahme (im Bild rosa-farben). Dadurch wird eine deutliche Erkennbarkeit und quantitative Auswertung der EVOH-Barriere bis in stark verjüngte Schichtbereiche möglich

Ergebnis: Schwachstelle im Bereich der Quetschnaht

Im Hellfeld konnten dadurch mithilfe einer softwaregestützten Schichtdickenbestimmung begleitend zu einer breiten Parametervariation zügig Ergebnisse geliefert werden. Dadurch ist die Wirkung von Prozessparametern auf die Dicke und Qualität der EVOH-Schicht darstellbar und der Prozess im Hinblick auf die Produktqualität optimierbar.