Schwingfestigkeitsnachweis für innendruckbelastete Common-Rail-Bauteile aus 100Cr6 unter Berücksichtigung hochzyklischer Betriebsbeanspruchungen

Abstract

Durch die großen Variationsmöglichkeiten bei der Gestaltung des Einspritzdrucks resultieren für die innendruckbelasteten Bauteile des Common-Rail-Systems über die Lebensdauer hochzyklische, mehrstufige Beanspruchungskollektive. Da es sich um sicherheitsrelevante Bauteile handelt, wird für die Freigabe ein Nachweis gegenüber Schwingbruch verlangt. Hierzu ist bei dem vermehrt eingesetzten hochfesten Stahl 100Cr6 eine genaue Kenntnis des Schwingfestigkeitsverhaltens im Bereich jenseits der heute geltenden Grenzschwingspielzahlen erforderlich. Die notwendige experimentelle Charakterisierung des Schwingfestigkeitsverhaltens im relevanten Schwingspielzahlbereich erfolgte im Rahmen der vorliegenden Arbeit unter Berücksichtigung wichtiger Einflussgrößen. Die Untersuchungen wurden im Wesentlichen an gekerbten Werkstoffproben auf einer hochfrequenten piezoelektrischen Ultraschallschwingprüfmaschine und an bauteilnahen Demonstratoren auf servohydraulischen Innendruckpulsatoren durchgeführt. Auf Basis der experimentellen Untersuchungen wurde ein neuer Ansatz für den Schwingfestigkeitsnachweis von Common-Rail-Bauteilen aus 100Cr6 abgeleitet. Der Ansatz ermöglicht eine geschlossene Lebensdauerabschätzung unter Berücksichtigung der im High-Cycle-Fatigue- und Very-High-Cycle-Fatigue-Bereich auftretenden Ausfallmechanismen.

The manifold degrees of freedom in setting the injection pressure result in highly cyclic, variable load collectives for high pressure carrying components of a common-rail system during its‘ life. As these parts are safety-relevant, the safety against a fatigue induced fracture must be verified. Detailed knowledge of the fatigue behaviour beyond today’s ultimate number of cycles of the commonly used high strength steel 100Cr6 is required as a result. The necessary experimental characterisation of the fatigue behaviour in dependence of various influencing factors was undertaken in the relevant lifetime area within the scope of this thesis. The experiments were largely conducted using notched specimens on a high frequency piezoelectric ultrasonic testing machine as well as part-like dummies on servo-hydraulic high pressure test stands. A new approach to the fatigue life verification for parts made of 100Cr6 was developed based on these experimental trials. This approach allows an integral fatigue life assessment considering the specific failure mechanisms of the high cycle fatigue and very high cycle fatigue regime.