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Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von topologisch optimierten Pressverbänden bei Umlaufbiegung
(2012) Heydt, Jürgen Friedrich; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Die Lebensdauer von Pressverbindungen wird infolge der Reibdauerbeanspruchung begrenzt. Die Reibdauerbeanspruchung entsteht aufgrund einer dynamischen Beanspruchung, die zu einer oszillierenden Gleitbewegung unter Einfluss des Fugendrucks zwischen Welle und Nabe führt. Eine Gleitbewegung zwischen Welle und Nabe, auch Schlupf genannt, ist bei einer zweckmäßigen Beanspruchung der Pressverbände unvermeidbar. In dieser Arbeit konnten drei grundsätzliche Aspekte für die Auslegung von Querpressverbänden unter Reibdauerbeanspruchung bestimmt werden. Erstens konnte ermittelt werden, dass die Pressverbindungen drei Phasen der Lebensdauer durchlaufen. Eine bedeutende Rolle kommt dabei Phase I zu. Die dynamische Beanspruchung führt in Phase I zur sogenannten Trainierung des Pressverbands. Die Trainierung, die sich als Folge tribologischer Vorgänge in der Fügefläche einstellt, konnte sowohl mit Hilfe von statischen Untersuchungen, wie der Schlupfmessung an der Nabenkante (Verringerung der Schlupfamplitude) und der optischen Untersuchung der Reibkorrosionstiefen, als auch erstmals mit der Messung des dynamischen Biegemoments bei voller Belastungsfrequenz (Erhöhung der Steifigkeit) nachgewiesen werden. Nach etwa 0,5 Millionen Lastwechseln ist Phase I abgeschlossen. Phase I nimmt damit in der Regel nur einen kurzen Teil der Lebensdauer eines Pressverbands ein. Abhängig von der topologischen Optimierung (Mikrogeometrie der Fügefläche zwischen Welle und Nabe) kann die Trainierung eine positive oder negative Auswirkung auf die Beanspruchung des Pressverbands haben. Nach Phase I (Trainierung) geht der Pressverband in Phase II über. Der Pressverband ist auf einem quasi statischen Niveau. Äußerlich sind keine Änderungen im Verhalten des Pressverbands mehr zu erkennen. Phase II wird ggf. durch Phase III (Bruchphase) beendet. Für numerische Untersuchungen kann die für das Verhalten der Pressverbände wichtige Trainierung mit der Erhöhung des Reibwerts zwischen Welle und Nabe von µ = 0,2 (vor der Trainierung) auf µ = 0,5 (nach der Trainierung) vereinfacht abgebildet werden. Zweitens konnte gezeigt werden, dass der zylindrische und der fugendruckhomogenisierte Pressverband aus Stahl bezüglich der Reibdauerbeanspruchung unter Umlaufbiegebeanspruchung durch eine topologische Optimierung der Kontaktfläche der Nabe verbesserungsfähig sind. Die Fugendruckhomogenisierung bietet durch die gezielte Übermaßreduktion im Bereich der Nabenkante die Möglichkeit, einen homogenen Fugendruck über die gesamte Fügefläche zu erreichen. Die durchgeführten vergleichenden Lebensdauerversuche zwischen zylindrischen und fugendruckhomogenisierten Pressverbindungen zeigten jedoch nicht die erwartete Steigerung der Lebensdauer. Zur Auswertung der RDB Kriterien, die sich einer experimentellen Messung entziehen, wurden daher numerische Untersuchungen durchgeführt. Hierbei fiel auf, dass sich der Vorteil der fugendruckhomogenisierten Nabe vor der Trainierung im Vergleich zur zylindrischen Nabe betreffend des verminderten Maximums der spezifischen Reibarbeit nach der Trainierung stark reduziert. Daraufhin konnte eine ganzheitlich optimierte Nabenkontur (RDB optimiert) unter Berücksichtigung der Trainierung definiert werden, die mittels handelsüblicher CNC Maschinen herstellbar ist. Ganzheitlich bedeutet, dass die spezifische Reibarbeit sowie die Summenreibarbeit vor und nach der Trainierung im Vergleich zu den bisherigen Pressverbänden nachhaltig gesenkt wurden. Die dauerhaltbare Biegebelastung konnte auf 77 % Biegeklaffmoment (zylindrisch: 64 %, fugendruckhomogenisiert: 69 %) gesteigert werden. Drittens war es mit den parallel durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen möglich, ein Bewertungskriterium für die Dauerhaltbarkeit der untersuchten Pressverbindungen zu ermitteln. In Erweiterung zum bisher bekannten Grenzschlupf an der Nabenkante ist die Bewertung der maximal auftretenden spezifischen Reibarbeit nach der Trainierung unabhängig von der topologischen Optimierung der Nabe eines Pressverbands anwendbar. Daher wird vorgeschlagen, die Bewertung der Pressverbände anhand des Maximums der spezifischen Reibarbeit nach der Trainierung vorzunehmen. Leider existiert bisher kein analytischer Ansatz, um diesen Wert zu bestimmen. Die numerisch bestimmten Grenzwerte stimmen mit den ersten experimentell ermittelten Ergebnissen sehr gut überein. Die Abweichungen sind bei den zylindrischen und fugendruckhomogenisierten Naben sehr gering. Die etwas größeren Abweichungen bei den RDB optimierten Naben sind durch die toleranzbehaftete, aufwändigere Fertigung zu erklären. Da die RDB optimierte Nabe keine monotone Zunahme des Durchmessers besitzt, wirken sich die Toleranzen der Fertigungsmaschinen infolge der wechselnden Vorschubrichtung aus. Der statistisch abgesicherte Nachweis für die Vorteile der RDB optimierten Naben steht allerdings noch aus.