Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

Dieses Thema im Forum "techn. Mechanik" wurde erstellt von chu, 1 Feb. 2013.

  1. Hallo!

    Ich weiß nicht ob ich das Thema evtl. besser in den Konstruktionsbereich gepostet hätte... bei Bedarf bitte verschieben, danke!


    Nun zu meinem Problem:


    Ein Zylinder einer einzylindrigen Motors ist in erster Näherung ja ein dickwandiges Rohr. Aus dem p-V- Verlauf der Verbrennung bekomme ich den Druckverlauf im Inneren, des Zylinders. Damit kann ich mir die Spannungen in der Zylinderwand prinzipiell ausrechnen. Mein Problem ist aber folgendes:


    Wie wird denn die schlagartige Belastung beim Zünden des Kraftstoffgemischs in der Festigkeitsberechnung berücksichtigt? Also woher bekomme ich sozusagen mein Sigma_zul. ?

    Ich habe bisher herausgefunden, dass diese Art der Belastung bei unterschiedlichen Temperaturen durch den Kerbschlag-Versuch messtechnisch Erfasst wird. Aber wie bringe ich die dort gewonnenen Erkenntnisse in meine Berechnung ein?

    Danke!
     
  2. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Deine Bemühungen in Ehren,
    aber mit dem bissl Verbrennungsdruck ist es bei Weitem nicht getan;
    du vernachlässigst da noch etliche weitere hohe Belastungen:
    die Vorspannung der Zylinderkopfschrauben,
    die Seitenkräfte durch den kippenden Kolben,
    die Kräfte durch den Wärmeverzug,
    usw. usw.

    Ich bezweifle, dass man das so einfach rechnen kann:
    Die Dimensionierung ist eher das Ergebnis von Erfahrung und Versuchen!
     
  3. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Ja das ist mir durchaus bewusst, der Zylinder war nur ein Beispiel. Mir geht es nur darum, wie solche schlagartigen Belastungen normalerweise berücksichtigt werden. Du kannst das Beispiel mit dem Zylinder auch gerne durch ein beliebiges anderes Beispiel ersetzten.
     
  4. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Nein, die Antwort auf meine Frage findet man dort nicht. Ich möchte ja wissen, wie sich eine hohe Verformungsgeschwindigkeit in der Festigkeitsrechnung ausdrückt. Um das Beispiel der Motors nochmal aufzugreifen:

    Man kann den Motor ja auslegen, dass er die Belastung verkraftet, aber wie berücksichtigt man, dass der Zylinder nicht einfach mit einem Sprödbruch, aufgrund der hohen Geschwindigkeit, zerbirst? Als Alternativbeispiel, dass das Ganze ins extreme führt: Ein Kanonenrohr - Wie wird die Detonation (was ja eine extrem hohe Verformungsgeschwindigkeit zu Folge hat) der Treibladung berücksichtigt?
     
  5. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Bauteilversagen infolge mechanischer Beanspruchung bedeutet immer, dass zulässige Spannungen überschritten wurden - ganz egal ob man eine zerberstende Kanone betrachtet oder ein unter der Schneelast einstürzendes Dach.

    Der Unterschied liegt im Belastungsfall. Du interessierst dich ja offensichtlich für dynamische Beanspruchungen, und die zulässigen Spannungen bei dynamischen Lastfällen findet man unter dem Begriff "Dauerfestigkeit". Klar ist der Wikipedia-Artikel ziemlich mager, aber das sollte als Anreiz ja genügen.

    Das führt in die falsche Richtung, weil es hier explizit um Bauteilversagen geht - sprich plastische Verformung und Bruch. Für die festigkeitstechnische Auslegung betrachtet man aber nur den elastischen Bereich - und hofft, dass das Bauteil diesen nicht verlässt ;).
     
    kaktus018 gefällt das.
  6. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    ok, zunächst mal Danke!

    Allerdings habe ich es entweder noch nicht okmplett kapiert oder wir reden etwas aneinander vorbei:

    Ist es denn tatsächlich egal wie "plötzlich" eine Belastung auftritt? D.h. ich lege meine Beuteile auf die Maximalspannung aus und es ist mir egal ob die über 10 Stunden wirkt oder über 10 ms ? Du schreibst ja, dass es bedeutet, dass die zulässigen Spannungen überschirtten werden. Wie ermittelt man denn diese zulässigen Spannungen in dem Fall einer extrem hohen Verformungsgeschw.?

    Wozu macht man dann den Kerbschlag-Versuch? Bzw. wie werden dann diese Messergebnisse verwendet? Soviel ich weiß ist der doch gerade dazu da das Werkstoffverhalten bei sehr hohen Verformungsgeschwindigkeiten zu ermitteln?
     
  7. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Wo hast du denn das mit der Verformungsgeschw. her? Ich nehme mal an, das hast du irgendwo beim Kerbschlagbiegeversuch gelesen. Es geht hier um die plastische Verformung - hier stimmt es, dass Metalle bei hohen Umformgeschw. zur Rissbildung neigen - das ist aber durch den Materialabfluss bedingt (der braucht ja Zeit).

    Die Kerbschlagzähigkeit beschreibt nur das Bruchverhalten unter bestimmten Umständen. Zähe Werkstoffe neigen beim Überschreiten von zulässigen Spannungen zu Verformungen und Rissbildung, spröde Werkstoffe brechen hingegen rasch mit sehr kleinem plastischen Verformungsanteil - der Effekt ist bei dynamischer Beanspruchung sehr groß, weshalb sich für dynamisch beanspruchte Bauteile i. A. zähe Metalle besser eignen. Zu zähe Metalle sind allerdings wieder anfällig für Kriechen.

    Zur festigkeitstechn. Auslegung interessiert aber nur der elastische Bereich bzw. bei dynamischen Beanspruchungen der Dauerfestigkeitsbereich. Die Dauerfestigkeit ist von sehr vielen Faktoren abhängig (z.B. Größen-, Oberflächeneinfluss, Kerbwirkung,...).
    Zu der Frage mit der Geschwindigkeit, mit der eine Last aufgebracht wird:
    Im Schwingversuch ergibt sich das aus der Frequenz der Lastwechsel. Ich habe mir die Mühe gemacht und das aus einem Buch rausgesucht:
    ... aus Bargel/Schulze Werkstofftechnik
    D.h. je höher die Lastwechselfrequenz ist, desto höher wird sogar die Dauerfestigkeit - weil durch eine sehr hohe Frequenz eher ein Zustand einer statischen Last eintritt.

    Ich hoffe, ich konnte das etwas klarer machen - ansonsten einfach nochmal nachfragen.
    Und jetzt wartet ein kühles Bier auf mich :drink:
     
  8. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    250 Hz * 60 Sekunden * 2 (ist ja ein Viertakter) = 30.000 U/min

    ... verdammt!
    Ich habe meine Motoren bisher nur nicht hoch genug gedreht,
    um den frequenzabhängigen Zugewinn an Dauerfestigkeit zu nutzen! :D

    ... aber jetzt Spatz beiseite:
    So wie das ich als Elektrofips sehe,
    liegt Chu´s Missverständnis ganz einfach darin,
    dass Festigkeitsberechnung nur in DEM Bereich gültig ist,
    wo es noch zu KEINER bleibenden Verformung bzw. Bruch kommt.

    Lieg ich da richtig?
     
  9. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Das ist ja genau das Ziel jeder festigkeitstechn. Untersuchung - man will die Grenze zwischen elastisch/plastischer Verformung, bzw. den Bereich der Zeit-/Dauerfestigkeit finden. Mit anderen Worten: Man probiert, welche Belastung ein Werkstoff aushält, ohne dass er bricht.
     
  10. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Ich würde einen Zugversuch vorschlagen, den man so nah wie möglich an der Anwendungsgeschwindigkeit fährt.
    Mit zunehmender Geschwindigkeit werden Zugfestigkeit und Streckgrenze steigen, die Bruchdehnung aber sinken; der Werkstoff wird spröde.
     
  11. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Vielen Dank für eure Erklärungen ich glaube ich hab's jetzt. Zur Überprüfung:

    Bleiben wir mal kurz bei dem Kanonenbeispiel, da ich finde hier wird mein Problem am deutlichsten (wegen der extrem hohen Geschw.):

    Man legt ein Bauteil also auf die maximal auftretende Belastung aus. Am Beispiel der Kanone wäre das dann der Zündzeitpunkt der Treibladung. D.h. meine Wandstärke muss so groß sein, dass sie den Belastungen Stand halten. Dabei bekomme ich meine zulässigen Spannungen aus einer Dauerfestigkeitsuntersuchung des geplanten Werkstoffes. Hält mein Bauteil diese Spannungen aus, dann ist auch nicht mit einer Zerstörung zu rechnen. Die Ergebnisse des Kerbschlagbiege-Versuchs werden erst dann wichtig, wenn ich die zulässigen Spannungen übersteige und mich das Verhalten des Werkstoffes danach interessiert?
     
  12. AW: Festigkeitsberechnung Zylinder (Motor)

    Richtig. Wenn ein Werkstoff im Dauerfestigkeitsbereich belastet wird, macht ihm die Belastung nichts aus. Theorethisch könnte man ihn unendlich vielen Lastwechseln aussetzen. Geschwächt wird der Werkstoff dann irgendwann durch Korrosion, Alterung, etc. D. h. nach 100 Jahren oder mehr wird auch eine Kanone ihren letzten Schuss abgeben.
     

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