Einfluss von Umweltbelastungen auf Sicherheitsbauteile

Die weitreichende Verwendung von Leichtbauweisen aus Aluminium sowie anderer moderner Werkstoffsysteme stellt erhöhte Anforderungen an die Bauteilerprobung. Besonders die Sensitivität dieser Werkstoffsysteme gegenüber Umwelteinflüssen, hier speziell die wässrigen und salzhaltigen Medien, erfordert im Vergleich zu klassischen Stahlbauteilen erweiterte Konzepte zum Betriebsfestigkeitsnachweis. Das Fraunhofer LBF bewertete in dem durch die Europäische Union geförderten Forschungsprojekt »Advanced High Volume Affordable Lightweighting for Future Electric Vehicles« kurz ALIVE, unter anderem einen neuartigen Fahrwerkshilfsrahmen aus Aluminium im Hinblick auf seine Betriebsfestigkeit.

Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an Aluminiumbauteilen mit simultaner Umweltsimulation

Der zu untersuchende Hilfsrahmen wurde aus Aluminiumprofilen hergestellt und im Einlegeverfahren durch Aluminiumgussknoten aus AlMg5Si2Mn miteinander verbunden. Die Anbindung des Hilfsrahmens an die weiteren Fahrwerksbauteile und an die Karosserie wurde über die Gussknoten gestaltet. In dem Projekt wurde der Hilfsrahmen unter betriebsähnlichen multiaxialen Belastungen mit variablen Amplituden auf seine Betriebsfestigkeit hin untersucht. Das spezielle Augenmerk lag dabei auf dem Einfluss einer überlagerten Umweltsimulation durch das Aufbringen einer salzhaltigen wässrigen Lösung.

Die der Bemessung für ein Fahrzeugleben zugrundeliegenden Lastzeitverläufe wurden durch das Weglassen kleiner Schwingspiele (Omission) gerafft, während die typischen Korrelationen zwischen den verschiedenen Kanälen beibehalten wurden. Somit konnten die bemessungsrelevanten Betriebsbelastungen in einer überschaubaren Zeit von 250 Wiederholungen zu je 23 Minuten in etwa 4 Tagen mit insgesamt etwa 1,6 Millionen Schwingspielen pro Lastrichtung simuliert werden.

Versuchseinrichtung für multiaxiale Betriebsfestigkeitsuntersuchungen mit überlagertem Salzsprühnebel.

Überlagerte Simulation durch multiaxiale Lasteinleitung in Salzsprühkammer

Zur überlagerten Simulation der Umweltbelastung durch eine salzhaltige wässrige Lösung wurde eine Salzsprühkammer genutzt, welche die notwendigen Öffnungen für die benötigte multiaxiale Lasteinleitung aufweist. Diese Salzsprühkammer ist modular gestaltet und kann sowohl für multiaxiale Untersuchungen an Baugruppen, als auch für einfachere Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, z. B. an einzelnen Fahrwerksbauteilen
(Lenker, Radträger, etc.) eingesetzt werden. Die Vorrichtung zum Versprühen der Salzlösung umfasst eine Zufuhr von sauberer Luft mit Kontrolle von Druck und Feuchtigkeit, einen Vorratsbehälter zur Aufnahme der zu versprühenden Lösung und einem Zerstäuber. Die dem Zerstäuber zugeführte Druckluft wird durch einen Filter geführt, um alle Spuren von Öl oder Feststoffen zu entfernen, der Zerstäubungsdruck liegt bei einem Überdruck von 50 kPa. Die Vorgabe von Sprüh- und Trocknungszeiten kann frei gewählt werden.

Früheres Versagen der Bauteile & Einfluss auf die Verminderung der Lebensdauer

Die Ergebnisse an den geprüften Aluminiumhilfsrahmen zeigen wie erwartet ein deutlich früheres Versagen der Bauteile bei überlagerter Beaufschlagung mit salzhaltiger wässriger Lösung. Das Versagen tritt jeweils im Gussknoten auf. Die Ergebnisse an den Aluminiumhilfsrahmen sowie Untersuchungen an weiteren Aluminiumfahrwerksbauteilen zeigen aber auch den Einfluss der absoluten Versuchslaufzeit auf die Verminderung der Lebensdauer aufgrund der Korrosion durch die Beaufschlagung mit Salzsprühnebel. Grund hierfür sind die im Gegensatz zur Prüfung unter Luft steiler verlaufenden Wöhler- und Gaßnerlinien bei den Versuchen unter korrosiven Medien.

In der am LBF aufgebauten Salzsprühkammer können auch größere Bauteile und Baugruppen unter multiaxialen Belastungsszenarien mit überlagerter Umweltsimulation geprüft werden. Unsere Kunden profitieren hierbei auch von den Erfahrungen des LBF im Hinblick auf die Grenzen einer möglichen Versuchszeitverkürzung bei Versuchen unter Salzsprühnebel bzw. die notwendige Anpassung von Versuchsanforderungen und Versuchsrandbedingungen.