Browsing by Author "Blacha, Martin"

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Grundlagen zur Berechnung und Gestaltung von Querpressverbänden mit Naben aus monolithischer Keramik
(2009) Blacha, Martin; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode eine Analyse- und Gestaltungsmöglichkeit entwickelt, um durch gezielte Konturierung der Trennfuge einen hybriden Pressverband mit vollkeramischer Nabe zu realisieren, der unter Raumtemperaturbedingungen und einem definierten Torsionsmoment dauerfest ist. Um dies zu erreichen, wurde ein Modell zur „a priori“-Berücksichtigung des Axialreibungseinflusses in der Trennfuge entwickelt, um auf Basis einer speziellen Formgebung der Kontaktzone ein gewünschtes Spannungsniveau einstellen zu können. Es wurde festgestellt, dass die hohen und stark streuenden Reibungskoeffizienten das Spannungsniveau in der Keramiknabe erheblich beeinflussen, wobei Reibungskoeffizienten oberhalb µ = 0,3 keine relevante Änderung der idealen Trennfugenkontur und des davon abhängigen Spannungszustands mehr verursachen. Die numerischen Untersuchungen beinhalten eine Spannungsoptimierung der zugspannungsbeanspruchten Nabe hinsichtlich zweier grundsätzlich unterschiedlicher Zielsetzungen: Zum einen die Homogenisierung der in der gesamten Trennfuge herrschenden Kontaktspannung (Fugendruck) und zum anderen eine möglichst gleichmäßige Ausnutzung der versagenskritischen ersten Hauptspannung in der keramischen Nabe. Das entwickelte Reibmodell für die numerische Simulation wurde hinsichtlich dessen Sensitivität bezüglich der getroffenen Annahmen und Variationen von Reibungskoeffizient und Geometrie untersucht. Diese Untersuchung zeigte eine nur geringe Empfindlichkeit hinsichtlich des einzuhaltenden Spannungsniveaus. Um die Einsetzbarkeit der gefundenen Auslegungslogik auf andere Geometrien und Werkstoffe auszuweiten und auch den Einfluss der bei der praktischen Herstellung auftretenden Fertigungsabweichungen zu untersuchen, wurden numerische Variationsrechnungen durchgeführt. Der Einfluss anderer Geometrien und Reibungskoeffizienten wurde in einem analytischen Zusammenhang näherungsweise ermittelt und steht für die Konturfindung der Trennfuge zur Verfügung. Darüber hinaus wurden mit der Sensitivitätsanalyse Fertigungslimits für den gewählten Pressverband festgelegt. Durch die Fertigung der konturierten Stahlwellen auf einer herkömmlichen CNC-Drehmaschine konnten ausreichend geringe Maßabweichungen und sehr gute Oberflächenqualitäten realisiert werden. Damit wurde demonstriert, dass ein kostengünstiges Herstellen der minimalen Konturierung im Mikrometerbereich ohne den zusätzlichen und kostenintensiven Fertigungsschritt einer Konturschleifmaschine machbar ist. Um das Beanspruchungslimit für den keramischen Werkstoff nicht nur im Rahmen eines Kurzzeitnachweises, sondern auch für ein sicheres Auslegen gegen unterkritisches Risswachstum festzulegen, wurde auf Basis eines in der Literatur beschriebenen, wenig konservativen analytischen Auslegungskriteriums ein Startwert für die zulässige Spannung ermittelt und für die Beanspruchung der Keramiknabe im Anwendungsfall Pressverband verifiziert. Die theoretischen Ergebnisse wurden anhand einer exemplarischen Geometrie (Nabenwerkstoff: Gesintertes Siliciumnitrid (SSN), Wellenwerkstoff: 42CrMo4 V) in experimentellen Untersuchungen überprüft. Dabei haben die Pressverbände unter Berücksichtigung der entwickelten Auslegungslogik eine Belastung von bis zu 20 Mio. Zyklen unter rein schwellender Torsionsbelastung von 850 Nm ohne Versagen überstanden. Darüber hinaus konnte ein erster Wert für das nur schwer ermittelbare Grenzübermaß bestimmt werden, bei dem die Keramiknabe die Kurzzeitfestigkeit erreicht. Für die Durchführung der Versuche wurde eine keramikgerechte Einspannung für die Probekörper entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt. Keine einzige versagte Probe wurde an der entwickelten Einspannung zerstört, so dass die konstruktive Gestaltung der Lasteinleitung in die Keramik als erfolgreich angesehen werden kann. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein Pressverband mit vollkeramischer Nabe bei sorgfältiger Gestaltung im praktischen Einsatz sehr zuverlässig einsetzbar ist. Eine erste Auslegungsrichtlinie für eine weitgehend ausfallsichere Dimensionierung eines derartigen torsionsbelasteten Querpressverband wurde abgeleitet. Damit wurde eine Voraussetzung geschaffen, um beispielsweise ein keramisches Pumpenlaufrad für stark abrasive oder chemisch aggresive Einsazbedingungen direkt auf eine Stahlwelle fügen zu können.