SzM-Profil

Unsere Forschungsfelder

 

Beherrschung von Körperschall und Luftschall

Die Maschinenakustik behandelt als ingenieurswissenschaftliche Disziplin die von schwingenden Maschinenstrukturen verursachten Geräusche und deren Entstehung. Die maschinenakustische Grundgleichung liefert eine Modellvorstellung für die Entstehung der abgestrahlten Schallleistung einer Struktur infolge einer Krafterregung. Damit liefert sie anschaulich mögliche Angriffspunkte zur akustischen Veränderung von Strukturen. Kernansätze zur Beeinflussung der Schallabstrahlung sind die sog. Primärmaßnahmen, durch die eine Struktur konstruktiv derart verändert wird, dass bereits der strukturseitige Körperschall reduziert wird, bevor dieser als Luftschall abgestrahlt werden kann. Die Modellvorstellung der maschinenakustischen Grundgleichung betrachtet die Körperschallausbreitung jedoch nur als „Black Box“ und liefert somit keinen wissenschaftlichen Ansatz zur Analyse des Körperschalltransfers, weswegen Primärmaßnahmen in der Regel auf Basis empirischer Daten (Erfahrungen und Experimente) ausgelegt werden. Steigende akustische Anforderungen und sich stetig verkürzende Entwicklungszyklen erfordern daher neue Ansätze und Werkzeuge zur effizienten und effektiven Simulation des Körper- und Luftschalls.

 

Strukturintensität (STI)

Eine leistungsstarke Alternative zur klassischen Modellvorstellung der Schallausbreitung anhand der maschinenakustischen Grundgleichung ist der Übergang zur Betrachtung der Schallausbreitung anhand der Energieflüsse (Intensitäten) des Schalls. Der Energiefluss des Körperschalls im Festkörper von der Quelle zur Senke wird durch die Strukturintensität (STI) beschrieben. Folgende Schwerpunkte im Bereich der STI werden derzeit an unserem Fachgebiet erforscht:

  • Numerische Analyse des Strukturintensitätsverlaufs – die STI lässt sich numerisch, z. B. mit FE-Programmen, aus den Schnittgrößen berechnen. Die Analyse der STI zeigt auf, wo sich u. a. die kritischen Energiepfade auf einer Struktur befinden. Damit kann durch die STI-Analyse das Verständnis über das Strukturverhalten stark erweitert werden. Mit diesem Wissen können zielorientiert lokale Ansatzpunkte zur Erzeugung von Impedanzsprüngen durch konstruktive Maßnahmen zur Schwingungsminderung gefunden werden.
  • Numerische Strukturoptimierung mittels Strukturintensität – basierend auf der STI lässt sich der Energieeintrag in definierte Strukturbereiche oder die Energiedissipation innerhalb dieser berechnen. Somit ist es beispielsweise möglich, auf Basis der STI die optimale Verteilung von Dämpfungsbelägen auf einer Struktur mit dem Ziel der maximalen Energiedissipation zu berechnen.
  • Untersuchungen zur gezielten Beeinflussung der Strukturintensität – um die Schallabstrahlung einer schwingenden Struktur zu vermindern, kann alternativ zur Dissipation der Schwingungsenergie auch der Ansatz der Energieumleitung gewählt werden. Das bedeutet, dass versucht wird, die Struktur bspw. in ihrer Geometrie so zu verändern, dass der Hauptteil der Energie in unkritische Strukturbereiche fließt, welche kaum zur Schallabstrahlung beitragen. Aktuelle Forschungsarbeiten untersuchen Möglichkeiten, die hierzu verwendet werden können.
  • Experimentelle Erfassung der Strukturintensität mit der 3D-Laservibrometrie – bei dünnwandigen Bauteilen lässt sich die Strukturintensität direkt aus gemessenen Oberflächengeschwindigkeiten berechnen. In diesem Kontext erweist sich die 3D-Laservibrometrie als besonders vorteilhaft, da Oberflächenschwingungen in allen drei Raumrichtungen berührungslos erfasst werden können. Mit diesem Ansatz lassen sich im Vergleich zu konventionellen Verfahren neben den Schwingungen senkrecht zur Strukturebene (Out-of-plane) auch die Schwingungen in der Strukturebene (In-plane) simultan erfassen. Im Moment sind Messungen der STI mit der 3D-Laservibrometrie an ebenen Strukturen möglich. In einem aktuell laufenden DFG-Projekt werden neue Ansätze zur Umsetzung des Messverfahrens an beliebig gekrümmten dünnwandigen Strukturen untersucht.

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Bestimmung der Transmission, Reflexion und Absorption

Zur Simulation der Körperschallausbreitung und Luftschallabstrahlung bei großen Strukturen (z. B. im Schiffbau) kommen heutzutage vermehrt Energie-FE-Methoden oder die Statistische Energieanalyse (SEA) zum Einsatz. Bestandteil dieser Methoden ist das Zerlegen des Gesamtsystems in Substrukturen. Da zwischen den Substrukturen Trennflächen bestehen, an denen der Körperschall und damit die fließende Körperschallenergie ausgetauscht wird, ist die Kenntnis der Körperschallübertragung an diesen Trennflächen notwendig. Die Grenzen zwischen Substrukturen werden u.a. an Stellen gezogen, an denen Unstetigkeiten in der Struktur vorliegen. Das können z.B. Querschnittswechsel in der Geometrie oder Fügestellen, wie bspw. Schweißnähte sein. An solchen Unstetigkeiten (=Impedanzsprünge) kommt es neben einer Transmission des Körperschalls auch zu einer Reflexion. Um die Substrukturen zu einem funktionierenden Gesamtsystem zusammenzusetzen, sind Koppelfaktoren nötig, die den Anteil der transmittierten und reflektierten Energie an den Trennflächen beschreiben. Zur Untersuchung des Einflusses verschiedener Trennflächen auf die Körperschallausbreitung wird im Rahmen einer Forschungsarbeit an unserem Fachgebiet ein Prüfstand zur Messung der Reflexion und Transmission des Körperschalls an Koppelstellen betrieben und weiterentwickelt. Aktuelle Forschungen haben ergeben, dass die bisher bekannten Messmethoden eine große Messunsicherheit hervorrufen, was zu großer Streuung in den gemessenen Koppelfaktoren führt, weshalb eine robustere Messmethode erforscht wird. Die für unterschiedliche Koppelstellen gemessenen Koppelfaktoren dienen im Rahmen eines Forschungsvorhabens (EPES), unter Beteiligung mehrerer Universitäten und Industriepartnern, zur Validierung des im Projekt entwickelten Simulationswerkzeugs.

Ähnliche Messunsicherheiten treten auch bei der Vermessung von Dämpfungsmaterialien im Kundt’schen Rohr auf. In einer aktuellen Forschungsarbeit wird derzeit am Fachgebiet untersucht, bei welchen Abläufen (bspw. der Montage der Proben) die größten Unsicherheiten auftreten und wie sich diese kontrollieren lassen.

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Einbindung aktiver Komponenten

Durch den Einsatz aktiver Komponenten (Aktoren, Sensoren sowie Regler) in einem System kann dessen Funktionalität gesteigert werden. Die aktive Beeinflussung des Schwingungsverhaltens bietet z. B. die Möglichkeit der aktiven Schallreduktion oder der Schallmaskierung. Active Noise Cancellation (ANC) und Active Structural Acoustic Control (ASAC) sind Forschungsfelder zur aktiven Lärmkompensation, hervorgerufen durch das Einbringen von künstlich erzeugtem Schall (Körper- und/oder Luftschall) mittels aktiver Komponenten.

Aktuell forschen wir am Fachgebiet SAM an der Weiterentwicklung der bestehenden Ansätze sowie an der Verknüpfung der Ansätze mit dem menschlichen Hörverhalten:

  • Mehrfachnutzung von aktiven Wandlern zur zusätzlichen Geräuscherzeugung – bestehende aktive Systeme geben die Möglichkeit, schon vorhandene Aktoren und Sensoren für weitere Zwecke zu nutzen. Beispielsweise ist es mit einem aktiven System vorstellbar, im niederfrequenten Bereich Strukturresonanzen zu dämpfen (Primärziel) und gleichzeitig im höherfrequenten Bereich zusätzliche Strukturschwingungen (Maskierungsgeräusche) zu erzeugen, welche das System angenehmer erscheinen lassen.
  • Berücksichtigung des menschlichen Hörens auf die Regelung von aktiven Systemen – das akustische Verhalten mechanischer Strukturen kann mittels aktiver Komponenten angepasst werden. Die Berücksichtigung der Sound Quality von Produkten – ein Maß dafür, wie Kunden Produktgeräusche empfinden – wird zunehmend wichtiger. Vor allem die erfolgreiche Umsetzung des Ziels, leichte und leise Produkte zu entwickeln, kann dazu führen, dass in lärmgeschützter, leiserer Umgebung neue Geräusche hervortreten und vom Menschen erstmals als störend wahrgenommen werden. Das Ziel unserer Forschungsarbeit ist es, die bestehenden Verfahren zur aktiven Schallreduktion um das Wissen über das menschliche Hören zu erweitern. Das Fehlersignal soll hinsichtlich der Funktionsweise des menschlichen Hörens sowie der Wirkung von Geräuschen auf den Menschen gewichtet werden, um ein an den Menschen angepasstes Ergebnis zu erzielen. Der Fokus liegt dabei primär darauf, mittels aktiver Komponenten das akustische Verhalten angenehmer zu gestalten und nicht darauf die Schallabstrahlung zu reduzieren.

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Psychoakustische Optimierung von Getriebegeräuschen

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Arbeitsgruppe „Angewandte Kognitionspsychologie“ des Fachbereichs Psychologie werden an unserem Fachgebiet Getriebegeräusche auf ihre psychoakustische Wirkung hin untersucht. Dazu werden herkömmliche Auswerteroutinen mit psychoakustischen Metriken und Hörversuchen abgeglichen. Auch Körperschallsignale werden dabei berücksichtigt. Neben der Vorhersage über die Kundenakzeptanz als Primärziel ist die Erkennung von Getriebeschäden mittels neuer Verfahren ein sekundäres Ziel.

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Inäquidistante Verzahnungen zur Minderung von Verzahnungsgeräuschen (INVerz)

Beim Zahneingriff konventioneller Zahnrädern kommt es durch die streng regelmäßige Anordnung der Zähne zu einer stark tonalen Geräuschanregung. Dieses Geräusch wird als Getriebeheulen (engl.: gear whine) bezeichnet. Getriebeheulen ist ein als äußerst unangenehm wahrgenommenes Geräusch, das häufig zu Kundenbeanstandungen führt und so die Produktqualität negativ beeinflusst.

Um Getriebeheulen an Zahnradgetrieben zu unterbinden, wird am Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik SAM der Technischen Universität Darmstadt ein innovativer Ansatz untersucht. Der Grundsatz der streng regelmäßigen (äquidistanten) Teilung der Zähne entlang des Umfangs von Zahnrädern wird aufgehoben. Durch eine optimierte Variation einzelner Zahnpositionen und Zahndicken entsteht eine unregelmäßige Verzahnung – die inäquidistante Verzahnung.

Soundbeispiel: konventionelle äquidistante Verzahnung (Messung bei 1500 U/min)
Soundbeispiel: innovative inäquidistante Verzahnung (Messung bei 1500 U/min)

  • Verringerte Lästigkeit des Zahneingriffsgeräusches – Durch die unregelmäßige Anordnung der Zähne wird die Periodizität der Geräuschanregung verringert. Die Zahneingriffsordnungen treten nicht mehr dominant hervor, sondern gehen in neu auftretenden Seitenbändern unter. Der lästige tonale Geräuschcharakter wird in Richtung eines angenehmeren, rauschartigen Charakters verschoben. Weiterhin wird der Geräuschcharakter in einen tieffrequenteren Bereich verschoben, was ebenfalls zu einer Reduktion der Lästigkeit führt.
  • Verringerte Lautheit und verringerter Summenschalldruckpegel – In nebenstehender Abbildung sind experimentell ermittelte Ergebnisse für die Lautheit und den Summenschalldruckpegel (SPL) über der Drehzahl dargestellt. Durch die inäquidistante Verzahnung (rote Linien) werden für die Lautheit (oberes Diagramm) erheblich geringere Werte über den gesamten Drehzahlbereich hinweg erzielt. Das Geräusch wird somit vom Menschen subjektiv weniger laut wahrgenommen und daher als weniger lästig empfunden. Auch für den Summenschalldruckpegel (SPL, unteres Diagramm) ist die Tendenz zu erkennen, dass die inäquidistante Verzahnung leiser ist. Somit führt die inäquidistante Verzahnung auch objektiv zu einem leiseren Geräusch.
  • Verringerte Anregung von Strukturresonanzen – Die dominanten Ordnungen der Zahneingriffsfrequenz werden durch die inäquidistante Verzahnung weniger stark angeregt. Stattdessen wird ein breites Gemisch aus Frequenzen mit jeweils geringerer Amplitude angeregt. Dadurch werden Resonanzen von angrenzenden Strukturen (beispielsweise Getriebegehäuse) weniger stark angeregt, was wiederum zu einer verringerten Schallabstrahlung führt.

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Geräuschminderung von elektrischen Maschinen und Aktuatoren

  • Untersuchungen regelungstechnischer Einflüsse auf das akustische Verhalten eines Force-Feedback-Aktuators – gemeinsam mit einem mittelständischen Industriepartner wird im Rahmen eines ZIM-Projektes (Förderung durch das BMWi) untersucht, wie sich verschiedene Regelungen auf die Schallabstrahlung eines Force-Feedback-Aktuators auswirken. Der Forschungsschwerpunkt liegt hierbei auf dem umrichtergespeisten Synchronmotor des Aktuators, der die wesentliche Quelle der Schwingungserregung darstellt.
  • Akustisches Verhalten von Lagern/Sondergetrieben – es werden die Kräfte und Verformungen in elliptisch verformten Kugellagern untersucht, wie sie in Spannungswellengetrieben zum Einsatz kommen. Hierfür wird ein numerisches Simulationsmodell entwickelt und mit Messdaten abgeglichen. Ziel ist die Beschreibung von Kugelkräften, Wellenrückstellkräften und Beschleunigungen auf der Lageroberfläche (zu Diagnosezwecken) in Abhängigkeit von Konstruktionsparametern.

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Modellgesetze zur akustischen Analyse und Bewertung von Baureihen

Modellgesetze können in der Maschinenakustik eingesetzt werden, um beispielsweise Messergebnisse eines maßstäblich verkleinerten Prototyps auf die Originalstruktur hochzuskalieren oder das akustische Verhalten von Maschinenbaureihen (z. B. Getriebebaureihen) zu analysieren. Im Rahmen der Forschungsarbeit wird untersucht, wie sich Modellgesetze von schwingenden und schallabstrahlenden Strukturen ermitteln lassen. Dazu werden die klassischen Methoden der Ähnlichkeitsanalyse mit Sensitivitätsanalysen verknüpft, so dass sich Modellgesetze unmittelbar aus virtuellen Simulationen (z. B. Finite-Elemente-Simulationen) ableiten lassen. Die auf diese Weise ermittelten Modellgesetze können zur Skalierung von virtuellen Simulationsergebnissen und experimentellen Daten verwendet werden. Neben der Skalierung der Geometrie wird auch eine Skalierung der Materialparameter untersucht, um beispielsweise das akustische Verhalten von Bauteilen anhand additiv gefertigter Prototypen vorhersagen zu können. Dadurch soll dazu beigetragen werden, Bauteile und Konstruktionen in möglichst frühen Phasen der Produktentwicklung hinsichtlich ihrer Akustik zu bewerten und zu optimieren. Das Fachgebiet SAM arbeitet im Rahmen dieser Forschungsarbeit mit der Universität Federico II in Neapel (Italien) zusammen.

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Entwicklung, Modellierung, Bewertung und Nutzung smarter Strukturkomponenten und -systeme

Die Entwicklung smarter Systeme – unter Einbeziehung neuartiger Aktoren und Sensoren – ermöglicht eine Überwachung und Verbesserung mechanischer Eigenschaften von Produkten. Aktoren beschreiben im Allgemeinen Elemente, die eine Eingangsgröße in eine andersartige Ausgangsgröße umwandeln, um eine Aktion oder einen Effekt hervorzurufen. Neben dem Einsatz in der Aktorik erlauben die energiewandelnden Eigenschaften (elektrische in mechanische oder mechanische in elektrische Energie) vieler multifunktionaler Materialien auch deren Verwendung in der Sensorik.

Am Fachgebiet SAM beschäftigen wir uns mit der Systemauslegung smarter Systeme. Der Schwerpunkt liegt hierbei in der Weiterentwicklung von Simulationsverfahren und der Komponentenentwicklung.

 

Entwicklung von hochempfindlichen Piezoelektret-Sensoren

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Elektroakustik der TU Darmstadt werden hochempfindliche Sensoren auf Basis von Piezoelektret-Folien entwickelt und untersucht. Diese Folien eignen sich besonders gut zur Herstellung flächiger Sensoren (Beschleunigungsaufnehmer und Mikrofone) mit hoher Empfindlichkeit.

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Multiphysikalische Gesamtsystemsimulation (numerisch und experimentell)

Smarte Systeme sind interdisziplinäre Technologien, mit denen sich autonome Struktursysteme realisieren lassen, die sich selbständig an sich verändernde Randbedingungen anpassen. Als Anwendungsszenarien können alle maschinenbaulichen Konstruktionen herangezogen werden, bei denen das Schwingungsverhalten, die Schallabstrahlung, Kontur- und Geometrieeigenschaften oder sogar Schadenstoleranzen aktiv beeinflusst werden sollen. Zur Beherrschung der hohen Funktionalität smarter Systeme ist eine detaillierte numerische Systembeschreibung bereits in der frühen Entwicklungsphase notwendig. Unser Forschungsziel ist es, die bestehenden Methoden zur multiphysikalischen Gesamtsystemsimulation zu verbessern und zu erweitern. Wir untersuchen dabei zum einen, wie sich die komplexen Zusammenhänge (bspw. die Kopplung elektrischer und mechanischer Domänen) eines smarten Systems numerisch effizienter abbilden lassen – z.B. durch Metamodellbildung. Andererseits erforschen wir die Handhabung akustischer Zielfunktionen (bspw. die Berechnung der abgestrahlten Schallleistung aus Strukturschwingungen) bei der Gestaltung von smarten Systemen.

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Stochastische Sensitivitätsanalyse und statistische Versuchsplanung

Ein aktives oder smartes System hat meist einen komplexen Aufbau mit mehreren aktorischen und sensorischen Funktionselementen. Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten und deren Einflüsse auf die Funktionalität und Zuverlässigkeit des gesamten Systems sind kaum erforscht und selten vorhersagbar. Am Fachgebiet SAM wird daher nach neuen experimentellen als auch numerischen Methoden der Sensitivitätsanalyse zur Erkennung und Beeinflussung von Haupteffekten und Wechselwirkungen geforscht. Aktuelle Forschungsarbeiten sind:

  • Implementierung unterschiedlicher Verfahren zur globalen Sensitivitätsanalyse komplexer Systeme,
  • numerische Simulation und Analyse der verschiedenen Verfahren an akademischen Referenzsystemen,
  • Bewertung des Konvergenzverhaltens der Verfahren und der Güte der Ergebnisse,
  • qualitative experimentelle Validierung der Ergebnisse der numerischen Simulation mittels statistischer Versuchsplanung,
  • Ableiten einer allgemeinen Methodik zur Sensitivitätsanalyse für komplexe Systeme und deren Übertragung auf industrienahe Systeme.

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Aktive Minderung des Wolftons am Cello

Der „Wolf im Cello“ ist ein unerwünschtes akustisches Phänomen, das durch das Zusammenspiel von Saite und Korpus entsteht. Praktisch jedes Cello hat einen Wolf, wobei er für jedes Cello-Exemplar bei individuellen Tönen auftritt. Der Wolfton äußert sich durch starke Schwankungen des abgestrahlten Luftschalls, ähnlich dem Heulen eines Wolfes, und wird als besonders störend empfunden. Durch die Kombination von „smarten“ Materialien und aktiven Systemen kann der Wolfton beim Cello gemindert werden. Mit Hilfe der entwickelten Echtzeit-Algorithmen können Wolftöne detektiert und effektiv gemindert werden, wobei das System selbstständig auf sich verändernde Umgebungsbedingungen reagieren kann.

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Beschreibung, Bewertung und Beherrschung der Zuverlässigkeit mechanischer Systeme

Neben der Auslegung smarter Systeme beschäftigen wir uns am Fachgebiet SAM mit der Erforschung der technischen Zuverlässigkeit mechanischer und smarter Systeme. Die steigende Komplexität der Systeme, aufgrund der höheren Funktionalität und der größeren Anzahl von verbauten Komponenten, erschwert die Beurteilung der Systemzuverlässigkeit. Neue Methoden, die auch die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Komponenten smarter Systeme berücksichtigen, ermöglichen die Sicherstellung der Zuverlässigkeit mechanischer und smarter Systeme.

 

Inspektionsfrei – Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus Stahl durch induktive Randschichthärtung

Ausgangslage:

  • Schäden in der Praxis an geschmiedeten Radsatzwellen aus Stahl können auf zyklische Ermüdung zurückgeführt werden
  • Obwohl Radsatzwellen auf einen ausfallfreien Betrieb über die gesamte Lebensdauer ausgelegt sind, kann es zu Schäden im Betrieb kommen, die beispielsweise durch eine mechanisch-korrosive Komplexbeanspruchung verursacht werden
  • Deshalb werden die Wellen durch Inspektionen überprüft und gegebenenfalls instandgesetzt
  • Eingebrachte Druckeigenspannungen im Bereich der Oberfläche der Welle tragen zur Steigerung der Schwingfestigkeit und insbesondere der Korrosionsschwingfestigkeit bei
  • Thermische Verfahren, wie beispielsweise das Induktionshärten, wurden hierfür in ihrer Wirkung jedoch noch nicht ausreichend bewertet

FOSTA Forschungsvorhaben (P 1189):

  • Untersuchung der Korrosionsschwingfestigkeit gehärteter und ungehärteter Proben aus dem Werkstoff EA4T (25CrMo4) mit und ohne Vorschädigung unter konstanten und variablen Amplituden
  • Anpassung der Härteparameter in Abhängigkeit der Ergebnisse auf Korrosionsverhalten und Betriebsfestigkeit
  • Untersuchung der feldrelevanten Schädigungen durch Korrosion
  • Entwicklung eines Modells zur numerischen Simulation des Korrosionsverhaltens

Beschreibung:

Neben einer rein mechanischen Beanspruchung unterliegen Radsatzwellen häufig witterungsbedingt einer gleichzeitigen zyklischen, mechanisch-elektrochemischen Komplexbeanspruchung (Schwingungsrisskorrosion). Insbesondere die Schwingungsrisskorrosion geht bei metallischen Werkstoffen, auch bei nichtrostenden Stahlqualitäten, mit einem Schwingfestigkeitsabfall von teilweise mehr als 50% einher. Für die Verbesserung der Schwingfestigkeitseigenschaften sind technologische Verfahren zur Randschichtverfestigung besonders wirksam, aber in den Fertigungsprozess von Radsatzwellen derzeit nicht integriert. Die Wirksamkeit mechanisch eingebrachter Druckeigenspannungen durch Festwalzen oder Strahlen, auch zur Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit, sind bereits bekannt. Hingegen sind die thermo-chemischen (z.B. Nitrieren) oder thermischen Verfahren (z.B. Induktionshärten) bezüglich ihrer Möglichkeit zur Steigerung der Schwingfestigkeit von Stählen in korrosiven Umgebungsmedien noch nicht ausreichend qualifiziert.

Im Rahmen des Projektes soll das Randschichtnachbehandlungsverfahren 'Induktionshärten' zur Steigerung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus dem Werkstoff EA4T (25CrMo4), der sich im Personen- und Hochgeschwindigkeitszugverkehr sowie bei S-Bahnen, U-Bahnen und Straßenbahnen bewährt hat, untersucht und verifiziert werden, da es gegenüber anderen Verfahren deutliche Vorteile aufweist (Einwirktiefe, Härte, Duktilität). Dadurch sollen künftig die zwar seltenen, aber teilweise hohe Kosten und fatale Folgen nach sich ziehenden Brüche von Radsatzwellen vollständig vermieden werden. Perspektivisch kann der Verzicht auf Korrosionsschutz, die Erhöhung der Schwingfestigkeit bei Reibkorrosion (Presssitz der Radscheibe auf der Radsatzwelle), Verwendung eines günstigeren Werkstoffes mit ausreichender Schwingfestigkeit und ein verringerter Inspektionsaufwand in Aussicht gestellt werden.

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News

  • Beteiligte Industriepartner

 

Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus

Am Fachgebiet wird an Methoden zur Beschreibung, Bewertung und Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 805 geforscht. Die Methoden werden an Demonstratoren experimentell erprobt.

  • Lastmonitoring: Im Teilprojekt C1 des SFB 805 werden die Algorithmen zur Ermittlung der Belastungen und Systemeigenschaftsänderungen erweitert, zur Anwendung bereit gestellt und die in den Prozessen des Lastmonitorings auftretende Unsicherheit strukturiert beschrieben, bewertet und letztendlich beherrscht.
  • Aktive Stabilisierungstechnologien: Teilprojekt C2 beschäftigt sich mit der Beherrschung von Unsicherheit in der Nutzung aktiv stabilisierter Strukturen. Ziel ist es, ein Versagen durch Knicken axial druckbelasteter Stäbe durch den Einsatz aktiver Technologien zu verhindern und so Unsicherheit in der Belastung zu beherrschen.
  • Bewertung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in aktiven Systemen: Im Teilprojekt C3 soll die Unsicherheit in der Eigenschaftsstreuung eines lasttragenden Gesamtsystems beherrscht werden. Eine Methode zur Quantifizierung und Beschreibung der Unsicherheitsinformationen in den Wechselbeziehungen zwischen den passiven und aktiven Systemelementen wird entwickelt.
  • Variable Prozesse sowie Anwendung von Methoden und Technologien zur Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen: Im Teilprojekt C5 soll die Unsicherheit, die in der Entwicklung, Produktion und Nutzung lasttragender Systeme auftritt, als Ergebnis einer variablen Prozessmodellierung und -anwendung am Beispiel des SFB-Demonstrators beschrieben und bewertet werden.
  • Zustandskontrolle in lasttragenden Strukturen – Structure Health Control: Im Teilprojekt C7 soll die Unsicherheit in der Ausschöpfung der vorgesehenen Lebensdauer lasttragender mechanischer Systeme zum einen durch autonomes Überwachen von Systemveränderungen (SHM) und zum anderen durch ein autonomes dynamisches Eingreifen in die mechanischen Strukturkomponenten (SHC) beherrscht werden.

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Schädigungsmechanismen von Elastomerbauteilen

Im Rahmen des BMWi geförderten Projektes „Elasto-Opt II“ – Erfassung, Simulation und Bewertung der thermomechanischen Schädigungsmechanismen von Elastomerbauteilen unter dynamischen mechanischen Beanspruchungen – untersucht das Fachgebiet SAM das komplexe Materialverhalten von Elastomeren.

Bei höher frequenten Belastungen ist eine schnelle Erwärmung des Materials zu erkennen, welche sich auf die Materialeigenschaften und folglich auf die Lebensdauer bei Schwingbeanspruchungen auswirkt. Im vorangegangenen Projekt „Elasto-Opt“ (IGF-Vorhaben 400 ZN) wurde ein thermoviskoelastisches Materialmodell entwickelt, welches bidirektional gekoppelt das mechanische und thermische Materialverhalten wiedergibt. Mit diesem können die Erwärmungen des Materials durch mechanische Beanspruchungen mittels Finiter-Elemente-Simulation (FE) berechnet werden, wobei sich das mechanische Verhalten je nach vorherrschender Temperatur verändern kann.

Im Anschlussprojekt sollen nun die bisher entwickelten Werkzeuge verfeinert und für die praktische Anwendung vorbereitet werden. Das in Elasto-Opt vorgeschlagene Konzept zur temperaturabhängigen Lebensdaueranalyse wird hierfür an weiteren Elastomermischungen auf Naturkautschukbasis erprobt und die einzelnen Module gegebenenfalls weiter modifiziert. Letztendlich werden die Möglichkeiten und die Grenzen des Konzepts ermittelt und dargestellt. Daraus folgend wird eine Anwendungsempfehlung erarbeitet.

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