Betriebsverhalten von konventionellen und fugendruckhomogenisierten Pressverbänden unter Biegelast

Abstract

Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist der Einsatz der Kontaktoptimierung bei biegebelasteten Pressverbindungen. Über Entwicklung und Anwendung experimenteller und simulativer Methoden wird das Betriebsverhalten derartiger Verbindungen im Vergleich zu konventionellen Pressverbänden unter Beachtung der Reibdauerbeanspruchung analysiert sowie der Einfluss der Pressungshomogenisierung auf die Haltbarkeit untersucht. Die Methodik wurde erfolgreich auf Pressverbindungen unter Biegung angewandt und in der Praxis umgesetzt. Über die im Rahmen der Methodik entwickelte FE-Simulation können die Schlupfbewegungen und Pressungen im Kontakt von Maschinenbauteilen unter Last ermittelt und optimiert werden unter Beachtung spezifischer Reibarbeit und dem FFDP-Parameter. Zur dynamischen Belastung von Pressverbindungen wurde ein neuartiger Prüfstand entwickelt und realisiert. Das Prüfstandskonzept erlaubt die effiziente Erprobung von Pressverbindungen unter beliebiger Kombination von Biege- und Torsionsbelastung und beinhaltet die Entwicklung und Verwendung von kostenoptimierten Doppelproben. Zur Analyse des Schlupfs in Pressverbindungen unter Biegelast wurde ein experimentelles Verfahren zur direkten Messung der Relativbewegung zwischen Welle und Nabe entwickelt. Damit wurde der Schlupf in konventionellen und fugendruckhomogenisierten Pressverbindungen unter Biegung sowohl nach dem Fügen als auch nach dynamischer Biegelast mit hoher Genauigkeit gemessen. Parallel wurde eine FE-Simulationsmethode entwickelt, die das experimentell ermittelte Schlupfverhalten nachvollziehbar abbildet. Im Zusammenspiel von experimenteller und simulativer Analyse des Schlupfverhaltens und den Abpressversuchen sowie optischer Analyse der Schlupfbereiche sind sowohl Aussagen für das Betriebsverhalten biegebelasteter Pressverbindungen im Allgemeinen als auch relative Betrachtungen bzgl. des Einflusses der Pressungshomogenisierung möglich. Die Kernaussagen sind: - Das Schlupfverhalten von fugendruckhomogenisierten und konventionellen Pressverbänden unter Biegelast ist generell vergleichbar. - Die nach gewisser Betriebsdauer tatsächlich nur noch sehr geringen Schlupfwe-ge unter Biegelast wurden über Experiment und FE-Simulation sowohl qualitativ als auch quantitativ nachgewiesen. - Die bei den Proben gemessenen und nach der entwickelten Simulationsmethode berechneten Schlupfwege unter realistischen Reibwerten korrelieren mit dem op-tisch erfassten Verschleißverhalten. Dazu wurde eine Klassifizierung der optisch erkennbaren Schädigungszonen durchgeführt. Es lässt sich eine Oberflächen-schädigung bei Relativbewegungen kleiner als 1 µm proklamieren. Ein typischer RDB Anriss mit den typisch hohen Kerbwirkungszahlen ist schon bei Schlupf von ca. 0,5 bis 1 µm möglich. - Über den kombinierten Einsatz von Experiment, FEM und analytischen Berech-nungsverfahren ist auch eine quantitative Aussage zu den Reibwerten in den Schlupfbereichen möglich. Die bei den betrachteten Proben ermittelten Reibwer-te betragen ca. 0,2 im jungfräulichen Zustand. Nach Vorlast bewegen sie sich in einem Bereich von 0,5 bis maximal 0,7. - Die durch Abpressversuche ermittelten integralen Haftbeiwerte bewegen sich auf demselben Niveau wie die ermittelten Gleitbeiwerte in der Schlupfzone unter Biegelast. Unter Ansatz von annähernd gleichen Haft- und Gleitbeiwerten in den Schlupfbereichen konnten über vergleichende Betrachtungen keine deutlich erhöhten Reibbeiwerte gegenüber dem Rest der Fügefläche festgestellt werden. - Bezüglich Schädigung durch RDB und Anrisswahrscheinlichkeit sind nach Aus-wertung von Schädigungsparametern bei Reibwerten bis ca. 0,5 Vorteile durch die Fugendruckhomogenisierung festzustellen. Bei höheren Reibwerten ergeben sich nominell Vorteile bei den konventionellen Proben. Ob die Oberflächen der Bauteile diese sehr hohen Reibschubspannungen aufgrund der hohen Reibwerte in Verbindung mit hoher Pressung schadensfrei ertragen können, ist jedoch frag-lich. Da die Pressungshomogenisierung die Reibschubspannungen an der Nabenkante senkt, kann dies für die Dauerhaltbarkeit trotz des geringfügig höheren Schlupfes auch von Vorteil sein. - Die Dauerversuche fugendruckhomogenisierter Pressverbindungen ergaben keine Nachteile in der Haltbarkeit im Vergleich zu den konventionellen Ausführun-gen, sondern die Tendenz zu leicht erhöhter Haltbarkeit homogenisierter Proben. - Über Vergleich von bekannten analytischen Ansätzen zur Schlupfberechnung unter Biegung mit den experimentellen und simulativen Ergebnissen dieser Ar-beit wird ein Vorgehen zur Berechnung des Schlupfes in Pressverbindungen un-ter Biegung vorgeschlagen zur Analyse von Verbindungen in der Praxis. Der Einsatz der Fugendruckhomogenisierung und damit die Verwendung von Naben aus hartem und sprödem Werkstoff bei Pressverbindungen unter Biegelast sind damit möglich.

In the case of conventional interference fits, it is not possible to use brittle material for the hub. In general, the pressure peaks at the hub edge cause the failure of the hub by cracking or breaking as soon as they are joined. The aim of the investigations is the application of contact optimisation to interference fits under bending load. The correction of the contact between shaft and hub, with the purpose of equalising the pressure, allows the application of brittle hubs. The behaviour of pressure homogenized interference fits under bending load has not yet been examined academically. For this purpose, a comprehensive test and simulation method was developed. In general, as a result of the pressure reduction at the end of the connection, enlarged slip movements are to be expected under load with the risk of a higher fretting-fatigue. For the quantitative and qualitative description of the fretting-fatigue and the load of the interference fit, different characteristic values, like quality factor, the characteristic value according to Funk and the specific friction work, as well as the Ruiz-Criterion or FFDP for assessing the probability of cracks, are presented. By means of the selected FE system, with emphasis on a transparent and efficient calculation of the friction, the necessary interference correction for pressure homogenisation is determined as the basis for the manufacturing of the specimen for the experimental part of this thesis and the models of the FE-simulations. However, a new type of FE simulation was worked out which represents the operating behaviour of interference fits subjected to bending according to the experimental results. For efficient testing under free combination of bending and torsion, a new endurance run test bench with a non rotating specimen was developed. For the experimental slip measurements, special equipment was developed which is clamped onto the shaft and which measures the movement between the components under bending load. Finally, three slip zones were defined for the classification of the optically detectable surface damage due to the fretting fatigue. In the practical part of the dissertation, pressure-homogenized interference fits are compared with conventional specimens by the developed testing methodology and analyzed by combining FE-simulation and experiment. The most important results are shown as follows: The slip measurements of the virgin samples only show marginal differences between conventional and pressure homogenized versions. Corresponding FE-simulations result in friction coefficients of about 0.2. Dominating for the slip behaviour is the friction and not the pressure. The experimentally determined slip behaviour of interference fits after a certain preload can only be simulated by FEM by multiple rotating bending or alternating bending. The necessary friction coefficient in the FE simulation is between 0.5 to a maximum of 0.7. The slip measured after dynamic bending load is significantly lower than in the virgin state. Specimens with high pressure tend to have a lower relative movement. However, crucial for a small slip is a high or an optimally trained friction coefficient. After visual analysis of the slip zones related to the FE-simulations, damage due to small relative movements of less than 1 µm in the analyzed specimens is possible. Even with the coefficients of static friction determined by means of pressing tests on the interference fits considered, no differences between homogenized and conventional samples are observed. The comparative analysis of the pressing tests with the slip measurements and the detected damage zones in conjunction with FE simulation, results in a coefficient of friction which does not vary substantially in the joint area. The analysis of known and newly developed damage parameters, such as specific friction power and dynamic and static Ruiz-criterion in the context of fretting-fatigue and interference fits, does not prove any negative effects on the homogenization of pressing. It even shows advantages with friction coefficients up to 0.5. The slightly higher slippage is compensated by the lower pressure at the hub edge. Even the former gaping does not cause additional damage. These statements are confirmed by the fatigue tests. The application of the homogenized pressure in interference fits under bending is thus possible and allows the use of brittle hubs which bring advantages to special applications. Finally, the practical suitability was proved by the application of the method in cement mills. Proposals are made for the analytical calculation of the slip interference fits under bending load.