Die FKM-Richtlinie "Rechnerischer Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen" ist eine vom VDMA Verlag veröffentlichte Richtlinie, die ein allgemeines Verfahren zum Nachweis der Festigkeit von Bauteilen im Maschinenbau beschreibt. Sie beschreibt eine allgemeingültige Vorgehensweise zum Festigkeitsnachweis, die jedoch verschiedene federspezifische Aspekte außer Acht lässt, bzw. nicht in ausreichendem Maße berücksichtigt. Dies sind unter anderem:
Aus diesen fehlenden Aspekten heraus wurde die FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Federn und Federelemente“ entwickelt. Sie wird auf Basis von AiF-geförderten Forschungsprojekten, die im Fachkreis von den Industrievertretern angeregt werden, regelmäßig weiterentwickelt. Derzeit liegt sie in der 1. Auflage von 2020 vor.
Für ihre Anwendung gelten folgende Hinweise und Anforderungen. Sie
Der Berechnungsablauf orientiert sich weitgehend am bereits in der regulären FKM-Richtlinie verwendeten Vorgehen. Die Richtlinie umfasst einen statischen und einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis, letzteren je nach Beanspruchungscharakteristik als Dauer-, Zeit- oder Betriebsfestigkeitsnachweis.
Für Bauteile, die nur statisch belastet werden, ist der statische Nachweis ausreichend. Für Bauteile, die zyklisch belastet werden, müssen der statische und der Ermüdungsfestigkeitsnachweis erfüllt werden. Beim statischen Nachweis handelt es sich um ein Nennspannungskonzept, während es sich beim Ermüdungsfestigkeitsnachweis um ein örtliches Konzept handelt.
Beide Nachweise basieren auf einer elastizitätstheoretischen Bestimmung der Spannungen unter Nutzung von linear elastischen Materialmodellen, d. h. die inneren Beanspruchungen und die äußeren Belastungen sind einander proportional. Für den statischen Nachweis wird je nach Beanspruchung die maximal auftretende Schub‑, bzw. Normalspannung nach DIN EN 13906 herangezogen. Der zyklische Nachweis erfolgt gegen Haupt- oder Koordinatenspannungen im Nachweispunkt.
Der Nachweis mit örtlichen Spannungen hat den Vorteil, dass er auch für komplexe Bauteilformen geeignet ist. Die örtlichen Spannungen werden dabei in der Praxis mit Hilfe der Finiten-Elemente- Methode mit linear elastischem Materialverhalten ermittelt.
Beim Nachweis wird verglichen, ob die zulässige örtliche Beanspruchung größer als die vorhandene örtliche Beanspruchung ist. Dabei werden die zulässigen Beanspruchungen aus den ertragbaren Beanspruchungen reduziert mit einem Sicherheitsfaktor errechnet.
Bei der Federrichtlinie werden der Zeit- und Betriebsfestigkeitsnachweis mit einem Auslastungsgrad in „Lastrichtung“ formuliert und nicht in „Zeitrichtung“. Dabei wird das Beanspruchungskollektiv in Lastrichtung so angehoben oder abgesenkt, bis die rechnerische Lebensdauer gerade der geforderten Lebensdauer entspricht. Der Multiplikator (Teiler) für das Anheben (Absenken) entspricht einem Auslastungsgrad, der zur Erbringung eines jeden Nachweises kleiner gleich 1 sein muss.
Die Einzelauslastungsgrade, die beim Ermüdungsfestigkeitsnachweis zunächst berechnet werden, sind die Quotienten aus den im Nachweispunkt vorliegenden Amplituden der einzelnen Spannungskomponenten und der zulässigen Amplitude der Bauteilfestigkeit. Zur Bestimmung der zulässigen Amplitude der Bauteilbeanspruchung wird die ertragbare Amplitude der Bauteilfestigkeit durch den Gesamtsicherheitsfaktor dividiert. Wirken im Nachweispunkt mehrere Spannungen zusammen, wird aus den Einzelauslastungsgraden mittels einer Interaktionsgleichung ein zyklischer Auslastungsgrad für zusammengesetzte Spannungskomponenten ermittelt.
Die FKM-Richtlinie für Federn und Federelemente stellt ein durchgängiges Konzept zum Festigkeitsnachweis vom statischen bis zum zyklischen Nachweis dar. Hierbei werden federspezifische Einflussgrößen, wie z.B. hohe Bauteilfestigkeiten, Wärmebehandlungen, Randschichtverfestigungen und hohe Schwingspielzahlen berücksichtigt. Durch die einfache Ermittlung der der örtlichen Beanspruchbarkeiten ist der Nachweis für viele Klein- und Mittelständische Unternehmen und beratende Ingenieure, die über keine Prüfeinrichtungen und Werkstofflabore verfügen, einsetzbar.
Sollten Sie Fragen zur hier vorgestellten Richtlinie, oder einen konkreten Anwendungsfall haben, freuen wir uns über Ihre Kontaktaufnahme.
