Auslegung und Berechnung von kurzglasfaserverstärkten Kunststoffbauteilen in Lenksystemen

Abstract

Short glass fiber-reinforced plastic (sfrp) parts are increasingly used as structural parts bearing mechanical loads in passenger car steering systems and thus subjected to quasistatic loads as well as a large number of load cycles. The design of these parts is frequently based on isotropic, linear elastic, numeric calculations, although it is possible to take into account the nonlinear, elastoplastic and anisotropic material behavior for calculations of sfrp parts. This fact results in potential improvements regarding product development, which are shown in this work. In addition, these improvements are part of the product development process of sfrp parts in passenger car steering systems. Different models for the description of quasistatic mechanical material behavior will be compared within this document. Calculation results used for modelling the deformation are rated. Regarding cyclic stress on sfrp within steering systems, a prediction for lifetime is introduced as a strain-based design concept. This concept will enable a more exact prediction than the one currently used for the design of parts. Besides the calculation enhancement for sfrp materials for steering systems, all parameters having an influence on the mechanical material behavior must be considered. Here, the influences from the manufacturing and operation of the steering system should be taken into account, as well as environmental influences. Influences from parts manufacturing and the usage of steering systems show deviations and therefore have a different effect on the mechanical material behavior. Within this paper, these variations are described and the influence on quasistatic, as well as cyclic, mechanical material behavior, is explored. The goal of this investigation is to reach a reliable prediction of loading and durability of sfrp materials.

Kurzglasfaserverstärkte (kgfv) Kunststoffbauteile werden zunehmend häufig im Kraftfluss von Pkw-Lenksystemen verbaut. Dabei sind die Bauteile sowohl hohen quasistatischen Lasten als auch einer Vielzahl von niedrigen, sich zyklisch wiederholenden Belastungen ausgesetzt. Die Auslegung dieser Bauteile findet auf Basis von isotropen, linearelastischen numerischen Berechnungen statt, obwohl heutzutage das nichtlineare, elastoplastische und anisotrope Werkstoffverhalten von kgfv Kunststoffen in der Simulation berücksichtigt werden kann. Daraus ergeben sich Potentiale insbesondere für Verbesserungen bei der Produktentwicklung, welche diese Arbeit aufzeigt. Zudem werden diese Verbesserungen in den Produktentstehungsprozess von Lenkungsbauteilen aus kgfv Kunststoff integriert. In einer Gegenüberstellung unterschiedlicher Modelle zur Beschreibung des quasistatischen, mechanischen Werkstoffverhaltens von kgfv Kunstoffen findet in dieser Arbeit ein Vergleich und eine Bewertung der Berechnungsergebnisse hinsichtlich der Abbildung der Beanspruchung und der Beanspruchbarkeit statt. Zur Vorhersage der Lebensdauer der kgfv Kunststoffbauteile unter zyklischer Belastung in Lenksystemen wird ein dehnungsbasierter Ansatz vorgestellt. Dieser soll eine genauere Prognose als die momentane Auslegung der Bauteile ermöglichen. Neben der Verbesserung der Berechnung des Verhaltens von kgfv Kunststoffen in Pkw-Lenksystemen müssen Einflussgrößen berücksichtigt werden, die Auswirkungen auf das mechanische Werkstoffverhalten haben. Hier sind vor allem Einflüsse aus der Herstellung, dem Betrieb des Lenksystems sowie die Umwelteinflüsse zu nennen. Die Einflüsse aus der Herstellung der Bauteile und dem Betrieb des Lenksystems unterliegen Streuungen und wirken sich dadurch unterschiedlich stark auf das mechanische Werkstoffverhalten aus. Die vorliegende Arbeit beschreibt diese Streuungen und analysiert ihren Einfluss sowohl auf das quasistatische als auch auf das zyklische, mechanische Werkstoffverhalten. Das Ziel dieser Untersuchung ist es, eine zuverlässige Vorhersage der Belastung, der Beanspruchung und Beanspruchbarkeit von kgfv Kunststoffen treffen zu können.