Prüfmethodik zur Validierung von Lebensdauerberechnungen für Kolben und Zylinderköpfe aus Aluminiumlegierungen unter überlagerter TMF/HCF-Belastung

Die Bauteile Zylinderkopf und Kolben in modernen Verbrennungskraftmaschinen erfahren zu Gunsten von Effizienzsteigerung, welche mit steigenden Temperaturen und Drücken einhergeht, wachsende thermomechanische und hochzyklische Ermüdungsbelastungen. In Kombination mit Leichtbauzielen erfordert dies eine genauere Bauteilauslegung, deren Prüfung an Hand von Komponentenversuchen sehr teuer und zeitaufwändig ist. Daher wird hier eine Prüfmethodik entwickelt, welche bauteilnahe Proben mit realitätsnahen Beanspruchungen in Form von thermomechanischen Ermüdungslasten beaufschlagt, die mit hochzyklischen mechanischen Lasten überlagert sind. ... mehrFür Reduktion von Aufwand und frühzeitigen Einsatz in der Bauteilauslegung wird eine Zylinderkopfprobe auf den versagenskritischen Auslassventilsteg reduziert. Bei einer Kolbenprobe wird das Kolbenhemd entfernt und der Muldenrandradius verschärft. Die überlagerte Ermüdungsbeanspruchung wird mittels einer Kopplung von Heißgasbrenner und Hochfrequenzpulsator auf die Proben aufgebracht, welche in jeweils für Zylinder-kopfprobe und Kolbenprobe separat entwickelten Prüfaufbauten montiert werden. Prüfstandsentwicklung und Auslegung der thermischen Prüfrandbedingungen erfolgen mit Hilfe von Conjugate Heat Transfer-Simulationen. Mit diesen Simulationen werden auch die in den Prüflingen gemessenen Temperaturverteilungen berechnet, welche wiederum Eingang in die jeweiligen Lebensdauerberechnungen finden. Ein Vergleich von geprüfter und berechneter Lebensdauer erfolgt anhand jüngst entwickelter Lebensdauerberechnungskonzepte. Diese greifen teilweise auf physikalisch basierte Lebensdauermodelle zurück, die Risswachstum und bruchmechanische Phänomene berücksichtigen. Dafür ist eine durchgängige Beobachtung des versagenskritischen Bereichs während der Versuche erforderlich, was im Prüfaufbau anhand eines wassergekühlten Endoskops in Kombination mit einer optischen Risserkennung realisiert wird. Eine Analyse der Versuchsergebnisse und Schadensbilder, welche fraktographische und metallographische Untersuchungen einschließt, zeigt für die Zylinderkopfprobe, dass realitätsnahe Belastungen aufgeprägt werden können sowie, dass ein Abgleich von experimentell beobachteten und berechneten Zyklenzahlen zum Versagen zulässig ist. Dadurch wird wiederum eine Bewertung der unterschiedlichen Lebensdauerberechnungskonzepte ermöglicht. Ebenso kann für die Kolbenprobe demonstriert werden, dass sich unter der aufgeprägten Last im versagenskritischen Bereich eine Schädigung wie im realen motorischen Be-trieb einstellt und die Effizienz der Kolbenprüfung hier noch mit verhältnismäßig einfachen Maßnahmen in Form von einer verkürzten Versuchslaufzeit und dadurch reduzierten Kosten um ein Vielfaches gesteigert werden kann. Anhand der hier erarbeiteten Erkenntnisse zeigt sich, dass diese Prüfmethodik zur Analyse des Schädigungsverhaltens und zur Validierung von Lebensdauervorhersagen unter realitätsnahen Lastbedingungen im Bauteilentwicklungsprozess eingesetzt werden kann und Potenzial zur Übertragbarkeit auf andere Anwendungsgebiete aufweist, wie bspw. abgasführende Komponenten für PKW und NKW oder Überhitzerrohre aus dem Kraftwerksbereich.

The cylinder head and piston components in modern combustion engines are subject to increasing thermomechanical and high-cycle fatigue loads in order to increase effi-ciency, which is related to rising temperatures and pressures. In combination with light-weight design goals, this requires a more precise component dimensioning, which is very expensive and time-consuming to validate by means of component tests. For this reason, a testing methodology is being developed here that applies realistic loads to near-component specimens in the form of thermomechanical fatigue loads superimposed with high-cycle fatigue loads. ... mehrTo minimize expenses and enable an early use in component dimensioning, the cylinder head specimen is reduced to the failure-critical exhaust valve crosspiece and the piston specimen is adapted by removing the piston skirt and reducing the bowl rim radius. By combining the hot gas burner and high-frequency pulsator the superimposed fatigue stress is applied to the specimen, which are mounted in test rigs developed separately for the cylinder head specimen and the piston specimen. Test rig development and design of the thermal test boundary conditions are carried out with the aid of conjugate heat transfer simulations. These simulations are also used to calculate the temperature distributions, which are also being measured in the test specimens. The temperature distributions in turn are used in the respective fatigue life calculations. A comparison of tested and calculated fatigue life is made on the basis of recently developed fatigue life calculation concepts. Some of these use physically based fatigue life models that take into account crack growth and fracture-mechanical phenomena. This requires continuous monitoring of the failure-critical area during the tests, which is realised in the test rig by means of a water-cooled endoscope in combination with a crack detection. An analysis of the test results and damage characteristics, which includes fractographic and metallographic examinations, shows for the cylinder head specimen that realistic loads can be applied, a comparison of experimentally observed and calculated cycle times to failure is allowed and enables an evaluation of the different fatigue life calculation concepts. It can also be shown for the piston specimen, that damage occurs under the applied load in the failure-critical range as observed in real engine operation, and that the efficiency of the piston test in terms of a shortened test duration and reduced costs can be increased considerably with relatively simple measures.
The results obtained here show that this test method can be used to analyse damage behaviour and validate service life predictions under realistic load conditions in the component development process, and that it has the potential to be transferred to other
areas of application, such as exhaust gas conducting components for passenger cars and commercial vehicles or superheater tubes from the power plant sector.