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Betriebsverhalten von konventionellen und fugendruckhomogenisierten Pressverbänden unter Biegelast
(2010) Schwämmle, Timm; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
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.