The topic of this diploma thesis is the frame of the foundry crane with load capacity 360 t. The frame is analysed by strength inspection and fatigue strength inspection according to norm ČSN EN 13001. The analysis are made by using finite element method on shell model. The diploma thesis was made in cooperation with Královopolská a.s. company.

This master thesis deals with calculation of steel wire ropes for cranes. Concretely is acted about calculation of wire ropes overhead crane manufactured by KRÁLOVOPOLSKÁ a.s. designed for load capacities up to 25 000 kg, which is situated at hall of steelworks. Further, the calculation of wire ropes different overhead crane was made to compare the results. The solution includes calculation made using valid standards ČSN 27 0100, DIN 15020-1, FEM 1.001 and ČSN EN 13001-3-2. Finally, the procedures are evaluated and compared with each other.

This master thesis deals primarily with the prediction of fatigue life of welded ribbed shaft. Recommendations taken from the International Institute of Welding (IIW) are used to express the stress values and the fatigue life. The stress values of examined place are expressed by approach of nominal stress, structural hot spot stress and effective notch stress. Results from stress-strain analysis are combined together with fatigue strength curves for prediction of the fatigue life. At the end of the analysis, the predicted fatigue life is compared with design life of welded ribbed shaft.

The topic of this diploma thesis is the frame of the foundry trolley crane 330/65/20t. The crane crab is used for handling with molten metal. The frame is analyzed by strength inspection and fatigue strength inspection. The process is according to ČSN EN 13001. The analyses are made by using finite element method on a beam and shell models. The diploma thesis was made in cooperation with the Královopolská a.s. company.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der grundlagenorientierten Untersuchung reibdauerbeanspruchter Stahl-Kontakte und deren Festigkeitsbewertung. Die Besonderheit bei der Bewertung reibdauerbeanspruchter Kontakte stellt die zusätzlich zur spannungsmechanischen Beanspruchung vorliegende tribologische Beanspruchung des Werkstoffes dar. Die ursächlich auf eine Anrissinitiierung in der Bauteiloberfläche zurückzuführende niedrigere Ermüdungsfestigkeit reibdauerbeanspruchter Bauteilverbindungen, zeigt sich in Abhängigkeit des Fugendrucks, des Schlupfes und des Werkstoffes. Basierend auf den genannten Einflussgrößen konnte in der vorliegenden Arbeit ein Berechnungsverfahren erarbeitet werden, welches eine betriebssichere Auslegung reibdauerbeanspruchter Fügeverbindungen ermöglicht. Das Verfahren basiert auf dem örtlichen Konzept der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ und implementiert den Schadenfall der Reibdauerermüdung durch einen Oberflächeneinflussfaktor, dem sogenannten Reibkorrosionsfaktor. Die tribologischen Beanspruchungsparameter Schlupf und Fugendruck werden dabei über eine Worst-Case-Betrachtung berücksichtigt. Durch eine von der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffes abhängige Darstellung des Reibkorrosionsfaktors, konnte darüber hinaus eine systemspezifische Berechnung der Ermüdungsfestigkeit erreicht werden. Die Validierung des Berechnungsverfahrens erfolgte an einer Pleuelverbindung. / The doctoral thesis investigates basically the fretting fatigue strength of steel contacts and their strength assessment. Especially the tribological loading conditions which are present at the contact surface cause a specific method of the strength assessment of joined contacts. In this context, the lower fatigue strength of component connections under tribological loading conditions, which is the result of crack nucleation at the component surface, depends on the contact pressure, the slip and the basic-material. Based on these parameters, a calculation method was developed in the present study which allows a reliable design of component connections under fretting conditions. This method is based on the local concept of the FKM-guideline 'Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile' and introduces the fretting fatigue failure mechanism by a surface factor, the so-called fretting factor. These fretting factors are calculated empirically and based on a worst-case approach of the tribological parameters slip and contact pressure. Furthermore it is possible to determine the fretting factor according to the tensile strength of the basic-material. As a result of this, it is possible to calculate the system-specific fretting fatigue strength of joined steel-components. The improved calculation accuracy of the strength assessment was validated on connecting rods.

Im Rahmen der Arbeit wurde das Potential von Magnesium für den Einsatz im Fahrwerk eines Automobils, am Beispiel der Querbrücke des Hinterachsträgers, ermittelt. Verschiedene Mg-Legierungen wurden im konventionellen und vakuumunterstützen Druckguss vergossen und der Al-Legierung vergleichend gegenübergestellt. Es wurden in einem ersten Schritt statische und zyklische Werkstoffkennwerte sowie Materialmodelle erforscht und bewertet. Verschiedene Lastfälle im Standard- und Sonderfahrbetrieb wurden durch statische und zyklische Betriebsfestigkeitssimulationen abgesichert. Konstruktive Bauteiloptimierungen waren notwendig um den Werkstoff Magnesium an die Anforderungen der Querbrücke anzupassen. Äußere Umwelteinflüsse im Fahrbetrieb machten ein Korrosionsschutzkonzept für die Querbrücke aus Magnesium notwendig. Untersucht wurden dabei verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung von Kontakt- und Oberflächenkorrosion. Grundsätzlich scheint der Einsatz von Magnesium im Fahrwerk im Bereich mittlerer Betriebsbelastungen denkbar.

In der Praxis weisen Wellen und Achsen häufig komplex gestaltete oder überlagerte Kerbformen (Mehrfachkerben) auf, die von normativen Methoden zur Berechnung der Ermüdungsfestigkeit nicht erfasst sind. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Zusammenführung von Kerbspannungsergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse mit dem genormten Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach DIN 743. Dazu erfolgt die Ableitung einer neuen, spannungsmechanisch begründeten Berechnungsmethode zur Integration von örtlich mehrachsigen Spannungszuständen in den nennspannungsbasierten Tragfähigkeitsnachweis. Die grundlegende Vorgehensweise der Norm wird nicht verändert. Sensitivitätsanalysen an einem Anwendungsbeispiel liefern zentrale Aussagen zur Relevanz verschiedener festigkeitsbeeinflussender Effekte bei Mehrfachkerben. Die Ergebnisse münden in einer anwendungsbereiten und ganzheitlichen Berechnungsanleitung für die Ermüdungsfestigkeitsberechnung von Bauteilen mit Mehrfachkerben in Anlehnung an DIN 743. Der zweite Teil der Arbeit wendet die erarbeitete Methode auf eine in der Konstruktionspraxis immer wiederkehrende Mehrfachkerbe, die Zahnwellenverbindung mit freiem Zahnauslauf, an. Als Ergebnis einer umfangreichen Parameterstudie liegen dem Anwender Berechnungsfaktoren zur Erfassung der Kerbwirkung für Zahnwellenverbindungen nach DIN 5480 in Abhängigkeit von zahlreichen geometrischen Einflussparametern vor. Abschließend werden die entwickelten Berechnungsmethode im Allgemeinen und die ermittelten normspezifischen Kennwerte für Zahnwellenverbindungen im Speziellen an vorhandenen experimentellen Stichversuchen aus der Literatur gespiegelt.

Wellen und Achsen im Bereich der Antriebstechnik erfahren in den überwiegenden Anwendungen zyklische Beanspruchungen. Folglich ist für die Festigkeitsberechnung im Nennspannungskonzept eine möglichst exakte Kenntnis der Bauteilwöhlerlinie von zentraler Bedeutung. Halbzeug-Größe, Spannungsformzahl und die statischen Maximallasten beeinflussen neben weiteren Faktoren die Charakteristik der Wöhlerlinie bzw. die Dauerfestigkeit. Im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Norm DIN 743 gilt diesen Größen der Fokus. Die vorliegende Arbeit betrachtet die Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit basierend auf dem technologischen Größeneinflussfaktor sowie der Makrohärte und deren Übertragbarkeit auf große Bauteildimensionen. In dem Zusammenhang wird der technologische Größeneinflussfaktor für Durchmesser bis 700 mm anhand einer numerisch-analytischen Simulation ermittelt und zudem mit Härtemessungen validiert. Ferner wird auf Grundlage von Treppenstufenversuchen die Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit aus der Härte für große Halbzeugdimensionen betrachtet. Neben dem technologischen Größeneinflussfaktor abhängig von der Härtbarkeit liegen als Ergebnisse Zusammenhänge zur Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit aus der Härte für große Halbzeuge vor. Darüber hinaus wird mit experimentellen Untersuchungen die Wöhlerlinie im Zeitfestigkeitsbereich analysiert. Basierend darauf werden der Wöhlerexponent sowie die Knick-Schwingspielzahl zur Dauerdauerfestigkeit in Abhängigkeit von der Formzahl abgeleitet. Abschließend widmet sich die Arbeit den Auswirkungen von statischen Maximallasten auf die Dauerfestigkeit. Dazu werden die lokalen elastisch-plastischen Beanspruchungen infolge von Maximallasten mit dem Örtlichen Konzept erfasst und in Treppenstufenversuchen die Dauerfestigkeit mit zusätzlicher Maximallast betrachtet. Ausgehend davon wird ein Konzept zur Abschätzung der lokalen Beanspruchungen sowie der lokalen Dauerfestigkeit bei Berücksichtigung des Einflusses der Maximallasten vorgestellt. / Shafts and axles of drive systems are stressed by cyclic loads in most applications. Therefore, an accurate calculation of the S-N-curve is fundamental for the system’s strength assessment based on nominal stresses. Component size, the stress concentration factor, and static loads influence the behavior of the S-N-curve and the fatigue strength, among others. In the context of a further development of the standard DIN 743, the scope is these values. This thesis focuses on the estimation of the fatigue strength for tension/compression based on the technological size factor as well as the macro hardness and their transferability to larger component sizes. In this context the technological size factor is determined by a numeric-analytical simulation for diameters up to 700 mm and is also validated with hardness measurements. Furthermore, the estimation of the fatigue strength for larger component sizes based on the hardness is supported by fatigue tests. In addition to the technological size factor depending on the hardenability, the results are obtained by an estimation approach for large components between the fatigue strength for tension/compression and the hardness. In the next step, the S-N-curve is analyzed with experimental investigations for the finite life area. Based on this, the slope of the S-N-curve (“Woehler slope”) and the knee point for the endurance limit depending on the stress concentration factor are determined. Finally, the thesis deals with the impact of static loads on fatigue strength. For this purpose, the local elastic-plastic stress-strain behavior due to static loads is calculated with the strain life assessment (local concept) and the fatigue strength influenced by static loads is analyzed as well. Based on this, an approach for the estimation of local stress-strain behavior and for the fatigue strength considering the static loads are proposed.

Die Schwingfestigkeit einer Welle oder Achsen unterliegt einer Streuung. Diese Streuung wird durch Werkstoff- und Fertigungseinflüsse verursacht. Die Kenntnis der Streuung ist essenziell zur Vermeidung von Schadensfällen. Bislang besteht die Problematik, dass seitens der Schwingfestigkeitsstreuung im Bereich der Langzeitfestigkeit nur wenige Literaturwerte vorliegen und eine experimentelle Bestimmung mit geringem Fehler äußerst zeit- und kostenaufwendig ist. Zudem erfassen die beiden genannten Optionen, aufgrund der immer zugrunde liegenden experimentellen Ermittlung der Werte der Schwingfestigkeitsstreuung, nicht alle für die auszulegende Welle oder Achse möglichen Streueinflüsse. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, eine Methode zur Abschätzung der Streuung der Schwingfestigkeit für Vergütungsstähle zu entwickeln. Für die Entwicklung einer solchen Methode gilt es, die im Kontext einer sogenannten zweifachen Wöhlerlinie auftretenden Schadensorte – Bauteiloberfläche und Bauteilinneres – im Hinblick auf die ursächlichen Schädigungsmechanismen detailliert zu betrachten. Auf den identifizierten Einflussgrößen der Schädigungsmechanismen aufbauend werden geeignete Konzepte zur Schwingfestigkeitsabschätzung für die Schädigungsmechanismen entwickelt, die die Einflussgrößen erfassen. Dabei wird zur Vorhersage der Schwingfestigkeit beim Schädigungsmechanismus ausgehend von der Bauteiloberfläche ein Kerbspannungskonzept und für den Schädigungsmechanismus ausgehend vom Bauteilinneren ein bruchmechanisches Konzept genutzt. Auf diesen aufbauend wird ein stochastisches Modell der Langzeitfestigkeit entwickelt. Dieses wird anhand durchgeführter experimenteller Untersuchungen sowie im Kontext bestehender Literaturdaten bewertet. / The fatigue strength of a shaft or axles is subjected to a scatter. This scatter is caused by material and manufacturing influences. Knowledge of the scatter is essential for avoiding failures. Up to now, the problem has been that only a few literature values are available on fatigue-strength scatter in the range of long-term strength and an experimental determination with a small error is extremely time-consuming and expensive. In addition, the two options mentioned, due to the experimental determination of the values of the fatigue-strength scatter, which is always the basis, do not include all possible scatter influences for the shaft or axle to be designed. Therefore, the aim of this work is to develop a method for estimating the scatter of the fatigue strength for quenched and tempered steels. For the development of such a method it is necessary to consider in detail the failure locations occurring in the context of a so-called duplex S-N curve - component surface and component interior - with regard to the causal failure mechanisms. Based on the identified influencing parameters of the failure mechanisms, suitable concepts for fatigue-strength estimation are developed for the failure mechanisms that capture the influencing parameters. A notch-stress concept is used to predict the fatigue strength for the failure mechanism originating from the component surface, and a fracture-mechanics concept is used for the failure mechanism originating from the interior of the component. Based on these, a stochastic model of the long-term strength is developed. This model is evaluated on the basis of experimental investigations and in the context of existing literature data.

Corrosion fatigue is a common failure mechanism in rock drilling components and many othermechanical parts subjected to cyclic loads in corrosive environments. A crucial part in the design ofsuch components resides in the selection of the right materials for the application, which ideallyinvolves testing and comparison of their performance under working conditions. The present work was performed with the purpose of designing a corrosion-fatigue testing methodthat would allow the designer to compare the performance of different materials exposed to corrosionfatigue, permitting also the comparison with results from dry fatigue testing. The method was designedfor rotating-bending machines. Two different steel grades were used during the work, one throughhardened and one case hardened. The effect of these heat treatments and of shot peening overcorrosion-fatigue behaviour were studied using the proposed method. It was proven that the testing speed has a strong impact on the fatigue life of steel. It was found that,at a fixed stress level, the case hardened and shot peened steel reached 3X10^6 cycles at 2300 rpm,while it failed at only 5X10^5 cycles with a testing speed of 500 rpm. A large beneficial influence of theshot peening was demonstrated. It was also observed that, at fixed testing speed, the shot peening onthe through hardened steel can increase its fatigue strength from 190 MPa to 600 MPa under corrosionfatigue. Many cracks were found at the surface of the shot peened parts, which are arrested near thesurface by the compressive stress layer from the shot peening. It was also found that, for the non-shotpeened parts, case hardening had a slightly higher corrosion-fatigue strength than the throughhardened. This might be a result of the compressive stresses from carburization, or due to the highercore toughness of this steel grade.