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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofilteils, insbesondere Rohrkörper, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Hohlprofilteil nach dem Anspruch 10.
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Das Kugelstrahlen, Kugelstrahlverfestigen oder ein Festigkeitsstrahlen ist eine Oberflächenbehandlung, bei der mittels einer Strahlanlage kleine Strahlmittelkörper mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Werkstück-Oberfläche geschleudert werden. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit sowie den hohen Luftdruck wird das Strahlmittel beschleunigt und zum Aufprall auf der zu behandelnden Werkstück-Oberfläche gebracht. Dadurch werden Druckeigenspannungen in der Werkstück-Oberfläche hervorgerufen, was mit einer Festigkeitssteigerung des Werkstückes einhergeht.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren weist einen Festigkeitsstrahl-Prozessschritt auf, bei dem das Strahlmittel mit hoher kinetischer Energie gegen die Außenseite einer Profilwand eines Rohrkörpers aufprallt, und zwar unter Aufbau einer Druckeigenspannung im Material der Profilwand mit vordefinierter Eindringtiefe in die Profilwand und mit vordefinierter Spannungshöhe.
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Speziell bei der Strahl-Bearbeitung eines dünnwandigen Rohrkörpers besteht die Problematik, dass ein Teil der vom Strahlmittel eingebrachten kinetischen Energie nicht zum Aufbau von Druckeigenspannung im Profilwand-Material nutzbar ist, sondern vielmehr in Verformungsarbeit umgewandelt wird, bei der die Rohrkörper-Profilwand in den Rohrkörper-Hohlraum hinein plastisch deformiert wird. Dadurch im dünnwandigen Rohrkörper die Druckeigenspannung nicht in der beabsichtigten Spannungshöhe sowie Eindringtiefe realisiert werden.
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Aus der
US 8 056 279 B2 ist Rohrkörper bekannt der mit einem Autofrettage-Verfahren behandelt ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie einen Rohrkörper bereitzustellen, bei dem speziell bei geringer Rohrkörper-Wandstärke die beim Festigkeitsstrahlen eingebrachte Druckeigenspannung mit im Vergleich zum Stand der Technik gesteigerter Eindringtiefe sowie gesteigerter Spannungshöhe realisierbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird zur Steigerung der Eindringtiefe und/oder der Spannungshöhe der Druckeigenspannung der Festigkeitsstrahl-Prozessschritt mit einer Innendruckbeaufschlagung durchgeführt. Bei der Innendruckbeaufschlagung wird der Hohlraum des Hohlprofilteils mit einem inkompressiblen Kompressionsmedium und mit einem Gegendruck beaufschlagt. Auf diese Weise wird eine plastische Verformung (d.h. ein Einbeulen) der Profilwand in den Hohlraum hinein vermieden. Dadurch wird ein Energieabbau durch Plastifikation behindert und somit eine Rückfederung der Profilwand ermöglicht. Auf diese Weise kann sowohl die Eindringtiefe als auch die Spannungshöhe der beim Strahlvorgang in den Rohrkörper eingebrachten Druckeigenspannung erhöht werden.
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Erfindungsgemäß wird daher allgemein ein Verfahren vorgeschlagen, das den Energieabbau durch Plastifikation behindert und somit eine Rückfederung ermöglicht. Dadurch wird speziell bei dünnwandigen Werkstücken eine Festigkeitssteigerung ermöglicht, die mit nennenswerter Einbringung von Druckeigenspannungen einhergeht. Im Besonderen wird an die Kopplung eines Strahlverfahrens (Kugelstrahlen) mit zusätzlicher Innendruckbeaufschlagung des Bauteils gedacht. Der Innendruck soll dabei durch die Verwendung eines inkompressiblen Kompressionsmediums, wie einem Hydraulik-Fluid, erzeugt werden, mit der das Innere des Bauteils während des Strahlens gefüllt ist. Eine Anwendung wird für Rohrfedern und - stabilisatoren von Kraftfahrzeugen gesehen, die Biege- und Torsionsbelastungen in der Herstellung und im Betrieb unterliegen.
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In einer technischen Anwendung kann ein bereits zu einer Schraubdruckfeder gewickelter Feder-Rohrkörper vor dem Strahlprozess mit einem inkompressiblen Fluid befüllt und mit einem Innendruck beaufschlagt werden. Während des Strahlens bleibt der Innendruck konstant (Ventile geschlossen). Nach Beendigung des Strahlvorganges öffnet das Ablaufventil und wird das Kompressionsmedium aus dem Hohlraum des Feder-Rohrkörpers entfernt. Der Feder-Rohrkörper wird dann von der Be-/Entfülleinheit getrennt und die Enden der Federn werden verschlossen (wie bei einem Serienprozess zur Federherstellung). Verbliebene Restmengen des Hydrauliköls dienen als Korrosionsschutzmittel. Für die Fertigung eines Rohrstabilistors gilt das gleiche Vorgehen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich die folgenden Vorteile: So können ungleiche Spannungsverteilungen über den Querschnitt eines gebogenen Rohrstückes durch die kombinierte Behandlung an der Innenfaser (d.h. an der Innenseite des Rohrkörpers) wie auch an der Außenfaser (d.h. Außenseite des Rohrkörpers) eliminiert werden. Zudem wird eine Spannungsverteilung über die Rohrwandstärke besser angepasst: Es wird erreicht, dass an die Eigen- und Betriebsspannungen in tangentialer, axialer und radialer Richtung nur als Druckspannungen auftreten. Ferner wird die Innenfaser (d.h. die Rohrkörper-Innenseite) nicht mehr auf Zug belastet. Die höchste Zugspannung befindet sich im Vollmaterial. Außerdem können Zugspannungen in Nähe der Bauteilaußenfläche durch Strahlen unterdrückt werden. Die Spannungskonzentrationen werden abgebaut, der Spanungsgradient erhöht. Darüber hinaus können hochfeste Stähle mit relativ geringen Dehnungswerten verwendet werden. Schließlich kann das nach dem Festigkeitsstrahl-Prozessschritt im Rohrkörper verbliebene Kompressionsmedium als Korrosionsschutzmittel dienen.
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Nachfolgend werden Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen dargelegt: In einer technischen Umsetzung kann das Kompressionsmedium ein Hydrauliköl sein. Das Hydrauliköl kann in Doppelfunktion nicht nur als Kompressionsmedium, sondern vielmehr auch als ein Korrosionsschutzmittel dienen, das den Rohrkörper vor Korrosion schützt. Hierzu kann nach Abschluss des Festigkeitsstrahl-Prozessschrittes ein Restanteil des Kompressionsmediums im Hohlraum des Hohlkörpers belassen werden, so dass die Innenseite der Rohrkörper-Profilwand mit dem Hydrauliköl benetzt bleibt.
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In einer technischen Realisierung kann der Rohrkörper einen Medium-Einlass sowie einen Medium-Auslass aufweisen. Diese können beispielhaft als Zulauf-Ventil und/oder Ablauf-Ventil realisiert sein, die im Rohrkörper ausgebildet sind. Vor Durchführung des Strahlvorgangs kann der Rohrkörper mit einer Be-/Entfülleinheit strömungstechnisch gekoppelt werden. Mittels der Be-/Entfülleinheit kann das Kompressionsmedium über den Medium-Einlass in den Rohrkörper-Hohlraum eingefüllt werden und darin unter hohen Gegendruck gesetzt werden. Während des Strahlvorgangs kann dieser Gegendruck im Kompressionsmedium im Wesentlichen konstant aufrechterhalten bleiben. Nach erfolgtem Strahlvorgang wird der Medium-Auslass des Rohrkörpers geöffnet, damit das Kompressionsmedium aus dem Rohrkörper-Hohlraum entfernt werden kann.
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Gegebenenfalls können in einem Endbearbeitungsschritt der Medium-Einlass und der Medium-Auslass mittels einer Endkappe fluiddicht verschlossen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Rohrkörper ein Stabilisator sein, der in einer Fahrzeugachse eines zweispurigen Fahrzeugs verbaubar ist. Alternativ dazu kann der Rohrkörper eine als Schraubendruckfeder realisierte Tragfeder sein, über die sich ein Fahrzeugaufbau auf einem Fahrwerk abstützt.
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Bevorzugt kann die Innendruckbeaufschlagung und der Strahlvorgang zeitlich überlagert sein, wodurch über den gesamten Strahlvorgang hinweg plastische Verformungen der dünnwandigen Profilwand des Rohrkörpers vermieden werden können.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann während der Innendruckbeaufschlagung der auf das Kompressionsmedium beaufschlagte Gegendruck kurzzeitig bis auf einen extrem hohen Autofrettage-Druckwert erhöht werden. Der Effekt der Autofrettage beruht auf der wechselseitigen Beziehung der plastifizierten Innenseite sowie einer radial äußeren, elastisch verformten Zone. Diese wird von der inneren plastisch verformten Innenseite daran gehindert, wieder ihre ursprüngliche Form einzunehmen; das heißt sie bleibt gedehnt.
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Ein solches Autofrettage-Verfahren hat sich als festigkeitssteigernde Maßnahme gegenüber mechanischen Beanspruchungen etabliert. Dieses Verfahren findet bei hohlkörperartigen Werkstücken wie Rohren oder Leitungen Anwendung, in dem ein Werkstück kurzzeitig mit extrem hohen Innendruck bis 15 kbar beaufschlagt wird. Der festigkeitssteigernde Effekt beruht auf die gezielte Einbringung von Druckeigenspannungen, die durch das plastische Dehnen des inneren Querschnitts und die überlagerte elastische Rückfederung bei Innendruckwegnahme erzeugt werden. An der Außenseite des Körpers werden hingegen keine Druckeigenspannungen aufgebracht. Außerdem kann es bei dünnwandigen Hohlkörpern durch die plastische Dehnung im Inneren zu einer unbeabsichtigten Weitung auch des äußeren Durchmessers kommen, da der elastische Bereich für eine vollständige Rückfederung auf den ursprünglichen Außendurchmesser zu gering ist und Zugspannungen an der äußeren Oberfläche wirken. Diese wirken dort wie statische Mittellasten und führen zu Ermüdungrissen an der Außenseite.
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Um bei dünnwandigen Werkstücken eine durch Autofrettage erzeugte Festigkeitssteigerung im Inneren zu realisieren, die mit nennenswerter Einbringung von Druckeigenspannungen verbunden ist, ohne die Außengeometrie nachhaltig zu beeinflussen, und gleichzeitig festigkeitssteigernde Druckeigenspannungen an der zugbeanspruchten äußeren Oberfläche auszubilden, kann der erfindungsgemäße Festigkeitsstrahl-Prozessschritt zusammen mit einer Autofrettage erfolgen. In diesem Fall kann der zeitliche Innendruckverlauf während des Festigkeitsstrahl-Prozessschrittes so ausgelegt sein, dass eine Autofrettage stattfindet.
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Die Wirkungsweise der Autofrettage ist folgende: Bei der Autofrettage wird durch Spannungsumlagerung eine Druckeigenspannung an der Innenfaser (d.h. Innenumfang des Rohrkörpers) und eine Zugspannung im elastischen Bereich des Werkstück erzeugt. Im Idealfall bleibt der radial nach außen anschließende Materialbereich druckspannungsfrei. Werden zu große Druckspannungen an der Innenfaser erzeugt, kann dies insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen dazu führen, dass sich eine Rest(Zug)spannung an der Außenfaser einstellt. Diese wirkt als statische Mittelspannung negativ auf die Betriebsfestigkeit oder bei Überschreiten der Materialfließspannung zum Riss. Das Einbringen von Druckeigenspannungen ist begrenzt. Ferner werden durch eine gleichzeitige Randschichtbehandlung der Außenfaser durch Strahlen Eigendruckspannungen eingebracht, die zu verbesserten Festigkeitseigenschaften und zur Rekalibrierung des Außendurchmessers führt.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer Perspektivdarstellung ein als Rohrkörper ausgebildeter Stabilisator für eine Fahrzeugachse eines Fahrzeugs;
- 2, 3 und 4 jeweils Ansichten, anhand derer ein Festigkeitsstrahl-Prozessschritt veranschaulicht ist;
- 5 und 6 jeweils grob schematische Darstellungen gemäß dem Stand der Technik;
- 7 eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Festigkeitsstrahl-Prozessschrittes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; sowie
- 8 und 9 jeweils Ansichten, die ein drittes Ausführungsbeispiel veranschaulichen.
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In der 1 ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ein Rohr-Stabilisator als materialeinheitlicher sowie einstückiger Rohrkörper 1 mit dünnwandiger Profilwand 21 (3) ausgebildet. Der Rohr-Stabilisator weist einen Mittelabschnitt 3 auf, der sich in einer Fahrzeugquerrichtung erstreckt und über zwei Stabilisatorlager 4 am Fahrzeugaufbau anbindbar ist. In Fahrzeugquerrichtung nach fahrzeugaußen geht der Mittelabschnitt 3 des Rohr-Stabilisators beidseitig in, nach fahrzeughinten abragende Abtriebshebel 5 über.
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In einer Prozessabfolge zur Herstellung des Stabilisator 1 wird zunächst ein geradliniges Strangpress-Hohlprofil bereitgestellt, das in einem Biege-/Umform-Prozessschritt zu der in der 1 dargestellten Bauteilform umgeformt wird. An den beiden Umformstellen 6 (1) am Übergang zwischen dem Mittelabschnitt 3 und den Abtriebshebeln 5 ergeben sich herstellungsbedingt ungleiche Spannungsverteilungen, die in einem später beschriebenen Festigkeitsstrahl-Prozessschritt ΔtS ausgeglichen werden können.
Nach dem Biege-/Umform-Prozessschritt folgt der Festigkeitsstrahl-Prozessschritt ΔtS , in dem der umgeformte Rohrkörper in einer Strahlanlage 7 oberflächenbehandelt wird. In Festigkeitsstrahl-Prozessschritt ΔtS werden kleine Strahlmittelkörper 9 (2) mit hoher Geschwindigkeit gegen den Außenumfang 11 des Rohrkörpers 1 geschleudert. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit und den hohen Luftdruck wird das Strahlmittel 9 beschleunigt und zum Aufprall auf den Außenumfang 11 des Rohrkörpers 1 gebracht. Dadurch wird im Außenumfang 11 des Rohrkörpers 1 eine Druckeigenspannung erzeugt, was mit einer Festigkeitssteigerung einhergeht.
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Zur Steigerung der in der 3 angedeuteten Eindringtiefe t und Spannungshöhe S der Druckeigenspannung σa (9) wird der Festigkeitsstrahl-Prozessschritt ΔtS zusammen mit einer Innendruckbeaufschlagung ΔtP durchgeführt, die den Festigkeitsstrahl-Prozessschritt Δts zeitlich überlagert, wie es in dem Diagramm aus der 4 angedeutet ist. Vor Durchführung des Festigkeitsstrahl-Prozessschritt Δts werden Öffnungen des Rohrkörpers 1 mit hochfesten aufgeschraubten Kappen 13 verschlossen. Die in der 2, rechts dargestellte Kappe 13 weist einen Medium-Einlass 15 auf. Zu einem Füll-Zeitpunkt tF vor dem Festigkeitsstrahl-Prozessschritt Δts wird über den Medium-Einlass 15 der Rohrkörper-Hohlraum 17 mit einem Hydrauliköl 19 gefüllt und mit einem Gegendruck pI beaufschlagt. Während des Strahlvorgangs im Festigkeitsstrahl-Prozessschritt Δts kann somit eine plastische Verformung der Profilwand 21 in den Rohrkörper-Hohlraum 17 hinein vermieden werden. Zu einem Entleer-Zeitpunkt tE ( 4) nach dem Strahlvorgang Δts wird das Hydrauliköl 19 über den Medium-Einlass 15 vom Hohlprofilteil-Hohlraum 17 entfernt.
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Auf diese Weise wird gemäß der 3 eine Druckeigenspannung σa (9) im Material der Profilwand 21 erzeugt, deren Eindringtiefe t bis nahe an den Innenumfang 23 der Rohrkörper-Profilwand 21 heranreicht. Gemäß der 3 ist die oberflächenbehandelte Hohlprofilteil-Profilwand 21 aufgeteilt in eine plastische verformte, radial äußere Außenfaser 10 mit Druckeigenspannung σa und in eine radial innere elastische Innenfaser 12 ohne Druckeigenspannung.
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In der 5 und 6 ist in Abgrenzung zur Erfindung ein herkömmlicher, aus dem Stand der Technik bekannter Festigkeitsstrahl-Prozessschritt angedeutet, bei dem während des Strahlvorgangs keine Innendruckbeaufschlagung im Sinne der Erfindung erfolgt. In diesem Fall besteht, wie aus der 6 hervorgeht, bei dem dünnwandigen Rohrkörper 1 die Problematik, dass ein Teil der vom Strahlmittel 9 eingebrachten kinetischen Energie teilweise in Verformungsarbeit umgewandelt wird, bei der sich in der Profilwand 21 eine plastische Deformation 25 ergibt, die über eine Beulhöhe b (6) in den Rohrkörper-Hohlraum 17 einragt. Auf diese Weise steht im Vergleich zur Erfindung lediglich ein reduzierter Anteil der kinetischen Energie zur Erzeugung von Druckeigenspannung σa im Profilwand-Material bereit, während ein Teil der kinetischen Energie in Verformungsarbeit umgewandelt wird.
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Nachfolgend wird anhand der 7 ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der Rohrkörper 1 als eine Schraubendruckfeder realisiert ist. Eine solche Schraubendruckfeder kann beispielhaft als Tragfeder in ein Fahrzeug verbaut werden und den Fahrzeugaufbau auf das Fahrwerk abstützt.
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Wie aus der 7 hervorgeht, weist der Rohrkörper 1 an den beiden Federfußpunkten jeweils am Rohrende einen Medium-Einlass 15 und einen Medium-Auslass 16 auf, die beide als ein Einlass-Ventil und ein Auslass-Ventil realisiert sind. Die beiden Ventile 15, 16 sind Bestandteile einer nicht näher gezeigten Be-/Entfülleinheit. Alternativ dazu können die beiden Ventile 15, 16 auch einstückig Bestandteil des Rohrkörpers 1 sein.
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In einem Füllvorgang zum Füllzeitpunkt tF wird zunächst das Hydrauliköl 19 in den Rohrkörper-Hohlraum 17 des Rohrkörpers 1 eingespeist. Anschließend wird das im Rohrkörper 1 befindliche Hydrauliköl 19 mit einem Gegendruck pI beaufschlagt. Die Innendruckbeaufschlagung Δtp bleibt während des Festigkeitsstrahl-Prozessschritt Δts aufrechterhalten, der mit Hilfe der Strahlanlage 7 erfolgt.
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Sowohl im ersten Ausführungsbeispiel (1 bis 4) als auch im zweiten Ausführungsbeispiel (7) kann der Gegendruck pI während des gesamten Festigkeitsstrahl-Prozessschritts Δts konstant gehalten werden, wie es in dem Diagramm der 4 angedeutet ist. Darin ist ein Gegendruck-Zeit-Verlauf gezeigt, bei dem der Gegendruck pI (in durchgezogener Linie) über den gesamten Festigkeitsstrahl-Prozessschritt ΔtS hinweg konstant ist.
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In einer alternativen Prozessführung kann gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel während der Innendruckbeaufschlagung ΔtP der im Hydrauliköl 19 vorherrschende Gegendruck pI kurzzeitig bis auf einen extrem hohen Autofrettage-Druckwert pA erhöht werden, der in einem Bereich von bis zu 15 kbar liegen kann. Dadurch wird in der Profilwand 21 eine radial innere Innenfaser 12 plastisch gedehnt, und zwar unter Bildung einer inneren Druckeigenspannung σi . (9). In der Profilwand 21 (8) ergibt sich somit ein Faser-Aufbau, bei dem sowohl die radial äußere Außenfaser 10 als auch die radial innere Innenfaser 12 unter Bildung von Druckeigenspannung σa , σi plastisch verformt sind. Zwischen der Außenfaser 10 und der Innenfaser 12 in dagegen eine elastische Zwischenfaser 14 ohne Druckeigenspannung gebildet.
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Ein sich in der Profilwand 21 beispielhaft ergebender Spannungsverlauf ist in dem Diagramm der 9 angedeutet. Durch die gleichzeitige Randschichtbehandlung von sowohl der Außenfaser 10 durch Strahlen als auch der Innenfaser 12 durch Autofrettage werden radial außen und radial innen jeweils Eigendruckspannungen σa , σi eingebracht, die zu verbesserten Festigkeitseigenschaften und zur Rekalibrierung des Stabilisator-Außendurchmessers führen. Wie aus der 9 hervorgeht, ist die Innenfaser 12 (d.h. die Rohrkörper-Innenseite) nicht mehr auf Zug belastet. Die höchste Zugspannung befindet sich im Vollmaterial, d.h. in der Zwischenfaser 14. Es wird daher erreicht, dass an der Innenfaser 12 die Eigen- und Betriebsspannungen in tangentialer, axialer und radialer Richtung nur als Druckspannungen auftreten. Außerdem werden Zugspannungen in Nähe der Bauteilaußenfläche (d.h. in der Außenfaser 10) durch die Strahl-Behandlung unterdrückt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrkörper
- 3
- Mittelabschnitt
- 4
- Stabilisator-Lager
- 5
- Abtriebshebel
- 6
- Umformstellen
- 7
- Strahlanlage
- 9
- Strahlmittelkörper
- 10
- Außenfaser
- 11
- Außenumfang
- 12
- Innenfaser
- 13
- Kappen
- 14
- Zwischenfaser
- 15
- Medium-Einlass
- 16
- Medium-Auslass
- 17
- Rohrkörper-Hohlraum
- 19
- Hydrauliköl
- 21
- Profilwand
- 23
- Innenumfang
- 25
- plastische Deformation
- pI
- Gegendruck
- t
- Eindringtiefe
- pA
- Autofrettage-Druckwert
- ΔtP
- Innendruckbeaufschlagung
- ΔtS
- Strahlvorgang
- b
- Beulhöhe
- tF
- Füll-Zeitpunkt
- tE
- Entleer-Zeitpunkt
- σa, σi
- innere/äußere Druckeigenspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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