Die Ventile eines Verbrennungsmotors werden bei jedem Arbeitszyklus durch Öffnen und Schließen sowie durch den Verbrennungsdruck zeitlich veränderlich belastet. Die aus diesen Lastfällen resultierenden Beanspruchungen sind den Spannungen überlagert, die sich durch Temperatureinflüsse ergeben
Es wird ein Verfahren zur Bemessung von Ventilen aus Sicht der Schwingfestigkeit bzw. Lebensdauer unter zyklischer Beanspruchung vorgestellt, bei dem die örtlichen Betriebsbeanspruchungen für die relevanten Lastfälle rechnerisch mit Hilfe der Finite-Elemente Methode bestimmt werden und den in Schwingfestigkeitsversuchen ermittelten örtlich ertragbaren Beanspruchungen gegenübergestellt werden.
Abbildung 1 zeigt in schematischer Darstellung den Verlauf der Betriebsbeanspruchungen an einem Punkt des Ventils, wie er nach jedem Kaltstartvorgang durchlaufen wird. Die Belastungen aus Ventilschließen, Verbrennungsdruck, und Ventilöffnen treten bei jedem motorischen Arbeitszyklus auf. Im Vergleich dazu ändern sich die Spannungen beim Aufheizen eines Ventils von Null bis zum stationären Wert nur langsam, können jedoch ihr Vorzeichen ändern.
Die Mittelspannungen und Amplituden der zu betrachtenden örtlichen Schwingspiele der Betriebsbeanspruchungen ergeben sich aus der Überlagerung der bei jedem Arbeitszyklus auftretenden Beanspruchungen der Lastfälle Ventilschließen, Verbrennungsdruck, und Ventilöffnen mit den Temperaturspannungen. Dabei ist zu unterscheiden zwischen den bei jedem motorischen Arbeitszyklus auftretenden Schwingspielen, die aufgrund ihrer Häufigkeit dauerfest ertragen werden müssen, und den maximalen Schwingspielen die einmal pro Motorbetriebsphase auftreten. Abhängig vom lokalen Temperaturspannungs-Zeitverlauf können infolge unterschiedlicher Mittelspannungen die pro Arbeitszyklus auftretenden örtlichen Schwingspiele entweder bei kaltem Ventil, während der Aufheizung oder im stationären Zustand kritisch sein.
Die Festigkeit eines Ventilpunktes wird beurteilt, indem die Betriebsbeanspruchungen den durch Schwingfestigkeitsversuchen ermittelten örtlich ertragbaren Beanspruchungen in einem Haigh-Diagramm gegenübergestellt werden. Diese örtlich ertragbaren Beanspruchungen sind abhängig von der mittleren Temperatur des betrachteten Ventilpunktes
Die Betriebsbeanspruchungen für alle relevanten Lastfälle (Temperatur, Ventilschließen, Verbrennungsdruck und Ventilöffnen) werden mit Hilfe der Finite-Elemente Methode berechnet. Voraussetzung für die Berechnung der Temperaturverteilung im Ventil ist die Kenntnis der Temperauren und Wärmeübergangszahlen an den verschiedenen Oberflächen des Ventils [1]. Beispielhaft sind nachfolgend die Ergebnisse der Lasfälle Temperatur und Ventilschließen dargestellt.
Durch die Gegenüberstellung dieser Schwingspiele mit den temperaturabhängigen ertragbaren Beanspruchungen im Haigh-Diagramm ergibt sich für jede Stelle ein Sicherheitsfaktor als Quotient zwischen der auftretenden Beanspruchung und der ertragbaren Spannung. Über eine anschließende Sicherheitsbetrachtung ausgehend von der Streuspanne der Schwingfestigkeit kann eine rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit bestimmt werden.
[1] Burghardt, M.; Störzel, K.: Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchungen in einem Ventil unter Berücksichtigung des Temperatureinflusses, in Tagungsband Haus der Technik e.V. "CAE verstärkt die interdisziplinäre Motorenentwicklung"