Criteria of structural durability proof regarding testing time for substituting of steel by aluminium components by the example of commercial vehicle wheels

Abstract

Der experimentelle Nachweis der Betriebsfestigkeit von Sicherheitsbauteilen stützt sich auf eine schädigungsäquivalente Reduzierung des Bemessungskollektives auf ein Versuchskollektiv mit verkürztem Umfang unter Berücksichtigung statistisch begründeter Sicherheitsfaktoren. Historisch bedingt, wurden entsprechende Versuchskollektive zunächst für Bauteile aus Stahl anhand von Wöhlerlinien für Stahl, durch Anwendung der Palmgren-Miner Regel mit der Modifikation nach Haibach, vorgenommen. Bei der späteren Einführung von Aluminiumbauteilen stellte sich allerdings die Frage, ob der für Stahlbauteile entwickelte Sicherheitsnachweis ohne Änderung übernommen werden kann. Bedingt durch die gegenüber Stahl unterschiedlichen Neigungen der Wöhlerlinien vor und nach dem Abknickpunkt, ergeben die für Stahlbauteile abgeleiteten Versuchskollektive bei Aluminiumbauteilen eine geringere Schädigung im Vergleich zum Bemessungskollektiv. Aus diesem Grund muss, bei Verwendung eines für Stahlbauteile entwickelten Versuchskollektives oder einer Erprobungsstrecke, der geringeren Schädigung bei Aluminiumbauteilen mit einer Erhöhung der Versuchslaufzeit begegnet werden. Am Beispiel von Nutzfahrzeugrädern aus Stahl und Aluminium mit vergleichbaren höchstbeanspruchten Stellen werden die werkstoffbedingten Sachverhalte im Hinblick auf die Versuchslaufzeit für Aluminiumbauteile dargestellt. Dieser Open Access Beitrag steht unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution Non-Commercial License, die eine Nutzung, Verbreitung und Vervielfältigung in allen Medien gestattet, sofern der ursprüngliche Beitrag ordnungsgemäß zitiert und nicht für kommerzielle Zwecke genutzt wird.

Structural durability proof of aluminium safety components substituting steel safety components – criteria regarding testing time by the example of commercial vehicle wheels

“…For this, beside the knowledge of the load related probability of occurrence P o, Load of the spectrum, also the knowledge of the Gassner-line with the strength related probability of failure P f, Strength of the component or structure is necessary, Figure 4. This is determined from the strength related probability of survival P s, Strength : P f; Strength ¼ 1À P s; Strength (4) From the interaction between the load related probability of occurrence P o, Load of the spectrum and the strength related probability of failure P f, Strength the service related theoretical probability of failure P f, Service is calculated [13]:…”

“…The factor f t considers the influence of manufacturingrelated dimensional fluctuations on the load capacity and consequently on fatigue life. The substitution of steel by aluminium is respectively covered by f St/Al = 1.25 Figure 6, Table 2 [3,4,12]. In case of a salt corrosion, for the durability proof of aluminium components in air without the corrosive environment a prolongation factor of f Corrosion = 2 to 3 is recommended for the compensation of the corrosive influence on the fatigue life, Figure 7 [9,11].…”

“…In following section, the derivation of the substitution factor f St/Al , which has hardly been discussed in literature, will be presented by the example of steel and aluminium commercial vehicle wheels with comparable highly stressed areas [2][3][4].…”

“…is only one part of the total runtime factor: (12) with which the size of the damage equivalent test spectrum is enlarged up to the size of the final test spectrum. The further parts are f t , by which possible manufacturing-related changes in geometry are considered, f Corrosion , with which the effect of a corrosion, if present, is captured, without performing the tests in a corrosive environment, and f St/Al , with which the influence of a material-substitution on fatigue life is taken into account [1,3,4,9,12]. Consequently, the size of the damage equivalent test spectrum, which was derived for steel components, must be enlarged with the total runtime factor:…”

“…Because of differences in the impact and elasto-plastic material behaviour of steel and aluminium, the component's structural integrity must also be assured by the design against misuse and special events before the final fatigue proof under derived test spectra. The present article treats only the fatigue aspect of the structural durability proof under spectrum loading and is a translation with slight modifications of [1][2][3][4].…”