PRODUKTENTWICKLUNG

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Konzept und Design

Bei der Konzept- und Designentwicklung von Elastomerelementen muss das Augenmerk, neben den zu erfüllenden Steifigkeits- und Lebensdaueranforderungen für das Bauteil, natürlich auch auf die Schnittstellen gelegt werden. Insbesondere müssen zB. Knochenbuchsen statische Sonderlastfälle ohne Bruch ertragen können. Hierbei sind die Randbedingungen möglichst realitätsnah abzubilden, speziell die Schraubenvorspannkraft sowie die korrekte Hintergrundsteifigkeit der Konsolen, sind für die Berechnung von immenser Bedeutung. Weiters werden die Kontaktbedingungen zwischen den Bauteilen berücksichtigt, um in der Berechnung realistische Deformations- und Beanspruchungszustände zu erhalten. Für Sonderlastfälle bietet es sich zudem an eine idealisierte elastische - idealplastische Berechnung durchzuführen um die Tragreserven des Bauteiles ausschöpfen zu können.

 

 

Schädigungsrechnung

Für die Ermittlung von Haigh-Diagrammen werden meist einstufige, einachsiale Wöhlerversuche mit Probekörpern durchgeführt. Die Probekörper sollten eine entsprechende Größe und einen möglichst eindeutigen Schadensort aufweisen damit eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gewährleistet wird. Das Haigh-Diagramm versteht sich demnach als Wöhlerlinienschar unter verschiedenen Belastungszuständen (Mittellast und Amplitude). Als Festigkeitshypothese für Elastomere, mit dem die Beanspruchung des Bauteiles in einen Vergleichswert übergeführt wird der in einem direkten Zusammenhang mit dem Werkstoffversagen steht, hat sich das Konzept der größten Hauptnormalspannung, bzw. –dehnung bewährt, wobei auch die Methode der kritischen Schnittebene zur Anwendung gebracht werden kann.

 

 

Die Schädigungsrechnung basiert auf der Anwendung des örtlichen Konzeptes der Betriebsfestigkeitsberechnung unter Einbeziehung der FEM mit der Möglichkeit eine gegebene Belastungs-Zeit–Funktion (Messsignal), oder synthetische Signale aus MKS vollständig zu berechnen. Die wesentlichen Eckpunkte der IB-CM Berechnungsroutine sind somit die Festigkeitshypothese, das physikalische Werkstoffverhalten, dass Wissen um die Beanspruchbarkeit des Werkstoffes, sowie ein geeignetes Zählverfahren für stochastische Signale. Die Berechnung der Schädigung von mehrachsialen Belastungssignalen wird für alle Knoten resp. Integrationspunkte des FE-Modells durchgeführt und erst die Anwendung dieser Methode erlaubt es, die Schere zwischen den Anforderungen von Funktion, Bauraum und Belastung zu schließen.

Prototyp

Für die Fertigung der Prototypen wird ein exaktes 3D-Modell der Vulkanisationsgeometrie erstellt; insbesondere der Schrumpf des Elastomers beim Abkühlvorgang nach dem Vulkanisationsprozess muss hierbei unbedingt in die numerische Berechnung einbezogen werden. Die ersten seriennahen Prototypen stellen einen wichtigen Meilenstein im Entwicklungsprozess dar, einerseits werden nun erstmals die theoretischen Auslegungswerte den realen Messwerten gegenübergestellt, andererseits erfolgt die Freigabe seitens Qualitätsmanagement für die Serienfertigung. Die exakte Vorausberechnung der Federcharakteristiken innerhalb der spezifizierten Toleranzen für alle sechs Freiheitsgrade im gegebenen Bauraum ist eine Kernkompetenz von IB-CM. Abweichungen haben in diesem Stadium gravierende Auswirkungen auf den Zeitplan.

Lebensdauerversuch

Den wohl wichtigsten Meilenstein im Entwicklungsprozess stellt die Lebensdauerprüfung dar. Insbesondere für sicherheitskritische Bauteile ist es heute Stand der Technik mehrachsiale dynamische Lebensdauerprüfungen durchzuführen, die sicherstellen sollen, dass das Bauteil für den Feldeinsatz verwendet werden darf. Die Prüfdauer kann sich über einen Zeitraum von mehreren Tagen bis wenigen Wochen erstrecken, wobei hier schon kleinste Fehler in der Auslegung zu einem frühzeitigem Versagen der Bauteile führen. Für die statistische Absicherung müssen zumindest zwei Bauteile geprüft werden, wobei häufig eine Analyse der Prüfergebnisse nach der Weibull Methode gefordert ist, die ebenfalls von IB-CM angeboten und durchgeführt wird (Stichworte: 'Success Run', Lebensdauervielfaches, Ausfallsteilheit, Zuverlässigkeit, Aussagewahrscheinlichkeit der Grundgesamtheit).

Eine starke Wettbewerbsfähigkeit zeichnet sich durch kurze Durchlaufzeiten bei Produktentwicklungen, insbesondere bei Neuentwicklungen, aus. Die in der Vergangenheit oft verfolgte Methodik von 'trial and error' kann hier keinesfalls verfolgt werden. Iterative Schleifen, speziell bei frühzeitigem Versagen von Bauteilen während der Lebensdauerprüfung, müssen auf ein unbedingtes Minimum reduziert werden. Die Anwendung der Schädigungsberechnung stellt somit im Vorfeld der Prüfungsplanung, speziell für Lebensdauerprüfungen mit mehrachsialen stochastischen Signalen, ein MUSS für die Risikominimierung dar. Etwaige Schwachstellen des Designs können mit verhältnismäßig geringem Aufwand beseitigt und somit die Anhebung der Produktqualität gewährleisten werden. IB-CM steht ihnen bei der Versuchsplanung und -durchführung als kompetenter Partner zur Seite.

Restlebensdauerprüfung

Normalerweise sind elastomere Federungselemente hinsichtlich ihres Betriebseinsatzes zeitlich beschränkt einsetzbar. Üblicherweise werden 6 Jahre oder eine diesem Zeitraum entsprechende Laufleistung (in Kilometern) gefordert. Häufig ergibt sich jedoch die Forderung einer höheren Einsatzdauer resp. Laufleistung die für den Betreiber einen beachtlichen Kostenvorteil mit sich bringen würde. Eine Verlängerung des Wartungsintervalles ist jedoch nicht ohne weitere Prüfungen realisierbar. Auch hier birgt die Anwendung der Schädigungsberechnung ein enormes Potential. Mit ihrer Hilfe können die Reserven des Bauteils numerisch berechnet und die Lebensdauerversuche für die Absicherung der noch zu leistenden Laufleistung geplant werden.