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Lebenszyklen berechnen

Der Werkstoff Gummi hat seine ganz eigenen Gesetze. Anwendern fällt diese Eigenschaft spätestens dann auf, wenn ein Elastomerbauteil unvorhergesehen ausfällt. Solche Überraschungen und Risiken können zukünftig verringert werden: ContiTech Vibration Control hat ein Konzept zur Lebensdauerberechnung von Elastomerbauteilen entwickelt.

Wenn es darum geht, Aggregate, Anlagen oder Konstruktionen zu federn oder zu lagern, führt praktisch kein Weg an Elastomerwerkstoffen vorbei. Gummi ist weitgehend verschleißfrei – ein Leben lang. Aber wie lang ist ein Produktleben? Vor dem Hintergrund einer lebenszyklischen Kostenrechnung macht es dann aber schon einen Unterschied, ob ein Bauteil 200.000 oder 400.000 Betriebsstunden hält. Diese Aussagen waren bisher schwer zu treffen. So viel steht fest: Die Lebensdauer eines Gummiwerkstoffes ist begrenzt. Er ist dynamischen Belastungen ausgesetzt, wird gedehnt, steht unter Spannung und verformt sich. Irgendwann versagt das Material.

Natürlich werden bei jeder Produktentwicklung technische Anforderungen definiert und im Lastenheft festgehalten. Dabei werden genaue Aussagen zur Mindesthaltbarkeit getroffen und der Zulieferer wird diese Vorgaben auch mehr als erfüllen wollen. Damit lassen sich aber keine verwertbaren Aussagen über die wirkliche Lebensdauer eines Produktes treffen. Und das kann von Nachteil sein, denn plötzliche und vor allem vorzeitige Produktausfälle sind sehr teuer. ContiTech Vibration Control hat deshalb eine Methode entwickelt, mit der sich die Lebenserwartung eines Produktes in seinem spezifischen Einsatzbereich berechnen lässt. Der Kautschukexperte setzt diese Lebensdauerberechnung bereits in der Produktentwicklung ein. „Gerade Kunden aus der Schienenindustrie wollen genau wissen, wie lange die Federelemente aus Gummi den Anforderungen und Belastungen in den Zügen standhalten können“, erklärt Rüdiger Meyer, Ingenieur bei ContiTech Vibration Control in Hamburg.

Die von ContiTech entwickelte Methode schafft die Verbindung zwischen Fahrversuch und Prüfstandsversuch. Sie verbessert zugleich die Produktqualität und beschleunigt die Entwicklung. „Damit reduzieren sich die Prüfzeiten und -kosten für experimentelle Bauteilversuche“, so Meyer. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM), ein modernes Berechnungsverfahren im Ingenieurswesen, berechnen Rüdiger Meyer und seine Kollegen an einem virtuellen Elastomerbauteil (CAD-Modell) die Lebenserwartung des Produktes. Sie simulieren mittels verschiedener Beanspruchungsszenarien, wie lange das Bauteil – beispielsweise ein Hydrolager halten wird, beziehungsweise wo kritische Belastungen auftreten und wie zerstörerisch diese sind. „Dem FEM-Berechnungsprogramm geben wir typische Fahrsignale hinzu, zum Beispiel die Kräfte oder Wege, die auf einer bestimmten Streckenlänge auf ein Elastomerbauteil im Drehgestell eines Zuges wirken“, so Meyer. „Ergänzt wird die Berechnung dann noch um die Zeitvorgabe des Kunden für die Haltbarkeit des Elastomerbauteils.“

Am Rechner werden die unterschiedlichen lebenszyklischen Beanspruchungen an einem 3D-Modell simuliert. Dabei zeigen die unterschiedlichen Beanspruchungsparameter, welchen Belastungen der Werkstoff beziehungsweise die Elastomermischung im Schienenfahrzeug ausgesetzt ist. Das 3D-Modell lässt die Verformungen des Elastomerbauteils sichtbar werden. „Anhand des Modellkörpers können wir genau sehen, an welchen Stellen das Bauteil durch zu viel Spannungen oder Dehnungen geschädigt wird oder sogar ausfällt. Bei den Stellen mit zu starker Zug- oder Dehnungsbeanspruchung spricht man von so genannten kritischen Orten“, sagt Meyer, „die dann am Rechner konstruktiv entschärft werden können.“ In einem Folgeschritt wird eine Schadensberechnung am Rechner vorgenommen. Am Ende entsteht ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf einer sehr realitätsnahen Produktbeanspruchung bis zum Punkt des Produktversagens abbildet. „So können wir eine gute Lebensdauerprognose für die jeweiligen Elastomerbauteile erstellen – im Rahmen von experimentellen Lebensdauerversuchen konnten wir inzwischen auch eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Rechnung erzielen“, sagt Meyer.

Fazit: Das ContiTech-Verfahren zur Lebensdauerberechnung ermöglicht bei einem verhältnismäßig geringen Aufwand eine deutlich verbesserte Vorhersage der Lebensdauer für Elastomerbauteile als es bislang möglich war. Dieses Produktwissen fließt bereits frühzeitig in die Neuentwicklung von Elastomerbauteilen ein. So lässt sich rechtzeitig ermitteln, ob das jeweilige Entwicklungskonzept den späteren Anforderungen und Belastungen gerecht wird. Rüdiger Meyer ist sich sicher: „Das Konzept trägt zu einer höheren Kundenzufriedenheit bei, die natürlich im Sinne einer nachhaltigen Kunden-Lieferanten-Beziehung von entscheidender Bedeutung ist.“

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