Gestaltoptimierung von 3D-Fügeflächen umformtechnisch gefügter Welle-Nabe-Verbindungen für eine erhöhte dynamische Torsionsfestigkeit

Abstract

Umformtechnisch hergestellte Welle-Nabe-Verbindungen, die mittels Quer-Fließpressen gefügt werden (Q-WNV), stellen ein neues Verfahren zur ressourceneffizienten Fertigung hochfester Verbindungen zwischen duktilen Wellen und gehärteten Naben dar. Bisherige querschnittskonstante Fügeprofile auf Basis komplexer Trochoiden führen aufgrund des inhomogenen Kontaktverhaltens zu einer hohen Reibdauerbeanspruchung (RDB) unter dynamischer Torsion, welche die Ermüdungsfestigkeit der Q-WNV limitiert. Mit der Entwicklung und Validierung einer Methode zur fugendruckorientierten Gestaltoptimierung von 3D-Fügeflächen trägt diese Arbeit zur Festigkeitssteigerung von Q-WNV bei und liefert wichtige Erkenntnisse für die Gestaltung und festigkeitstechnische Optimierung von umformtechnisch gefügten WNV sowie für die Aussagekraft rechnerischer Bewertungsparameter der RDB. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der Gestaltoptimierungsmethode, die auf einer gekoppelten Finite-Elemente-Simulation des Umformprozesses und der nachfolgenden Belastung basiert. Dabei werden Eigenspannungen und Verfestigungseffekte des Wellenwerkstoffs aus dem Fügeprozess bei der Beanspruchungsanalyse berücksichtigt. Die Methode wird zunächst auf eine rotationssymmetrische Beispielverbindung angewendet, bei der die Kontur der Nabeninnenfläche in axialer Richtung iterativ angepasst wird, um eine vorgegebene Fugendruckverteilung anzunähern. Anschließend erfolgt eine Erweiterung der Methode auf unrunde Fügeflächen, die an den Profilhochpunkten und den Profiltiefpunkten eine vordefinierte Fugendruckverteilung aufweisen. In einer Parameterstudie werden Fugendruckverteilungen mit geringer rechnerischer RDB ermittelt. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt die Validierung des Simulationsmodells sowie die Untersuchung des Beanspruchungsverhaltens der Q-WNV unter statischer und dynamischer Belastung. Dabei werden verschiedene Fugendruckniveaus sowie zwei Wellenwerkstoffe unterschiedlicher Festigkeit berücksichtigt. Die Validierung erfolgt über die Messung der Aufweitung der Nabenmantelflächen, die indirekte Bestimmung des Fugendruckniveaus sowie die Ermittlung von Reibwerten. Für den Wellenwerkstoff 16MnCr5 wird bei Anwendung der optimierten 3D-Fügefläche eine Steigerung der Torsionsdauerfestigkeit um 26 % gegenüber dem ursprünglichen querschnittskonstanten Fügeprofil nachgewiesen, während für den höherfesten Wellenwerkstoff 42CrMo4 eine geringere Steigerung von 12 % ermittelt wird. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Anrissposition und des Schädigungsbildes gebrochener Dauerlaufproben mit rechnerischen Bewertungsparametern der RDB. Die Arbeit endet mit der Diskussion der Ergebnisse und Gestaltungshinweisen für Fügeflächen von Q-WNV.