Untersuchung des Einflusses praxisnaher Erprobungsbedingungen auf die Schwingfestigkeit von Bauteilen des Common-Rail-Dieseleinspritzsystems

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss einer praxisnahen Belastung zu ermitteln und die Ergebnisse in das bestehende Absicherungskonzept einfließen zu lassen, um so die Genauigkeit der Berechnung zu erhöhen. Die Hauptunterschiede zwischen Erprobung und Betrieb sind im Medium und im Belastungssignal zu sehen. Das Medium am Fahrzeug ist Dieselkraftstoff, wohingegen zur Erprobung Hydrauliköl zum Einsatz kommt. Das Prüfsignal in der Erprobung ist eine Sinusschwingung mit Frequenzen zwischen 10 und 20~Hz, während die Belastung am Fahrzeug mit unregelmäßiger Grundform, einer Frequenz unterhalb von einem Hertz und einer hochfrequenten überlagerten Schwingung aufgebracht wird. Um diese Unterschiede abbilden zu können, wurden vergleichende Betriebsfestigkeitsversuche unter Erprobungsbedingungen und unter fahrzeugnahen Bedingungen durchgeführt. Der fahrzeugnahe Betriebsfestigkeitsversuch machte den Aufbau eines speziellen Prüfstandes nötig, der ein praxisnahes Prüfsignal mit seiner unsteten Grundschwingung und der überlagerten hochfrequenten Schwingung geringer Amplitude abbilden kann und zudem das Medium Dieselkraftstoff verwendet.

Während in der Erprobung die Belastung sinusförmig aufgebracht wird, werden die Bauteile am Fahrzeug mit einem unregelmäßigen Signal mit Haltezeiten verschiedener Dauer belastet. An Proben konnte in dem relevanten Bereich kein Einfluss der Signalform auf die Lebensdauer festgestellt werden. Jedoch kam es zu einem Anstieg der Streuung bei dem praxisnäheren, trapezförmigen Signal.

Als Haupteinflussgröße auf die Lebensdauer konnten Frequenz und Verweildauer des Prüfsignals identifiziert werden. Die Lastwechselfrequenz und die Verweildauer des Druckes bei hoher Last sind am Fahrzeug deutlich größer als in der Erprobung. Diese Parameter zeigen einen starken, signifikanten Einfluss auf die Schwingfestigkeit, der an Bauteilen wie auch an Proben nachgewiesen werden konnte. Die Folgen des Absenkens der Frequenz sind die Verschiebung der Gaßnerlinie zu geringen Schwingspielzahlen. Die ertragbare Schadenssumme sinkt somit unter praxisnahen Bedingungen ebenfalls ab. Der Einfluss des Prüfmediums Dieselkraftstoff konnte nicht einzeln abgeprüft werden, ist jedoch im praxisnahen Betriebsfestigkeitsversuch enthalten. Da die beobachteten Unterschiede zwischen diesem und dem Erprobungsversuch in Qualität und Quantität vollständig durch die abgeprüften Einflussgrößen erklärt werden können, wird kein weiterer Medieneinfluss unterstellt.

Der deutlich aufgezeigte Frequenzeinfluss macht die Notwendigkeit zu Prüfungen bei tiefen Lastwechselfrequenzen von unterhalb einem Hertz deutlich. Hier können weitere Untersuchungen an Proben ein Verständnis der vorliegenden Schädigungsmechanismen liefern. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit der Frequenzeinfluss an Proben mit einem praxisnahen Prüfsignal mit einstufiger Belastung gezeigt. Eine Erweiterung auf mehrstufige Versuche macht eine praxisnähere Quantifizierung der beobachteten Effekte möglich. Auch wurde nur ein Werkstoff untersucht, was die Erweiterung des Prüfprogramms auf weitere, zur Fertigung von Common-Rail-Komponenten verwendete Werkstoffe sinnvoll macht.

The aim of this project was to determine the influence of a practically oriented load and to introduce the results into the existing validation concept and thus to raise the exactness of the calculation. The main differences between test and service are the medium and the load signal. The medium in the vehicle is diesel, while for the test hydraulic oil is used. The load signal used in testing has a sinusoidal form with a frequency between 10 and 20~Hz, while the load at the vehicle has an irregular basic form, a frequency below 1 Hertz and a high-frequency overlaid vibration. To be able to reproduce these differences, comparative fatigue tests with variable amplitudes were carried out under standard test conditions and under practically oriented conditions. The practically oriented fatigue test made the construction of a special test bench necessary which produces a test signal with an irregular shape and overlaid high-frequency low-amplitude vibration. It uses the medium diesel.

During testing a sinusoidal pressure-time-curve is used, in the field the components are loaded with an irregular signal with varying holding times. No influence of the signal form could be detected in tests using specimen. However the scatter increased in test with a trapezoidal signal form.

The frequency and the holding time at high load levels were identified as the main influencing variables. Their values in field differs considerably form their value during testing. A strong influence of both variables on the lifetime was shown with specimen and component parts. As a result of lowering the cycle frequency the Gassner curve relocates to a smaller number of cycles. Thus the damage sum under practical conditions decreases. The influence of the medium diesel could not be verified in a single test but was included in the practical fatigue test with variable amplitudes. As the observed differences can be explained in quality an quantity by the other influencing values no further medium influence is assumed.

The strong influence of the testing frequency shows the necessity to test at low frequencies below 1 Hertz. Further analyses could lead to a deeper understanding of the damage mechanism. Furthermore an influence of the frequency on specimen under a practical testing with constant amplitude loading was shown in this work. An extension to variable amplitude test would lead to more practical quantification of the observed effects. Also only one material was analyzed, thus the expansion to further materials used for the production of common rail components is reasonable.