Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-4017
Authors: Glöggler, Christian
Title: Untersuchungen an spannungshomogenisierten und zylindrischen Pressverbindungen unter Torsionsbelastung
Other Titles: Investigation of stress homogenization and cylindrical pressed shaft-hub connections under torsion loading
Issue Date: 2003
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Bericht / Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, Universität Stuttgart;498
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-15614
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4034
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4017
Abstract: In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von numerischen Untersuchungen vorgestellt, die mit topografischer Veränderung der Fugenfläche bei zylindrischen Press-verbindungen eine Spannungsoptimierung bewirken. Durch diese Spannungsoptimierung wird das Auftreten der Spannungsspitzen reduziert und die spezifische Reibenergie, die ein Maß für die Reibdauerbeanspruchung ist, an der Nabenkante deutlich verringert. Ziel dieses Forschungsschwerpunktes war der Aufbau einer ganzheitlichen Untersuchungsmethodik von Welle-Nabe-Verbindungen unter Torsionsbelastung, die den direkten Vergleich von numerischen und experimentellen Ergebnissen ermöglicht. Für die experimentellen dynamischen Versuche wurde ein neuartiges Prüfstandskonzept mit dazugehöriger Probenform entwickelt, das ein gleichzeitiges Belasten zweier stehender Welle-Nabe-Verbindungen ermöglicht. Bei diesem Prüfstandskonzept können alle denkbaren Belastungsfälle für Torsion untersucht werden. Zusätzlich ist eine gleichzeitige Überlagerung einer umlaufenden Biegung möglich. Für weitere experimentelle Untersuchungen wurde eine Vorrichtung aufgebaut, mit deren Hilfe der integrale Reibwert in Umfangsrichtung ermittelt werden kann. Ein neuartiges Konzept zur Messung der Relativbewegung an der Nabenkante wurde entwickelt, um die veränderte Reibcharakteristik vor und nach der dynamischen Belastung an der Nabenkante nachzuweisen. Die numerischen Ergebnisse der spannungsoptimierten Pressverbindungen zeigen, dass eine Zunahme des Schlupfes an der Nabenkante stattfindet und die verringerte Pressung an dieser Stelle zu einer deutlichen Reduzierung der spezifischen Reibenergie bei allen untersuchten Pressverbindungen führt. Das Ergebnis bei der Ausführung einer glatter Welle ist die Reduzierung der spezifischen Reibenergie um einen Faktor von über zwei und bei abgesetzter Welle von über vier. Spezielle Übergänge zwischen den Wellenabsätzen an der Nabenkante wurden mit verschiedenen Freistichformen untersucht und auch dabei wurde eine deutliche Verringerung der Reibenergie festgestellt. Für die analytische Berechnung des Schlupfes für spannungshomogenisierte Pressverbindungen wurden, aufbauend auf den analytischen Formeln nach Leidich /LEIDICH83/, Korrekturkurven ermittelt, mit denen der Schlupf berechnet werden kann. Weiterhin werden Korrekturkurven angegeben, für die der Schlupf in Abhängigkeit von der Geometrie der Wellenschulter analytisch berechnet werden kann. Zur Anpassung des optimalen Übermaßverlaufes wurde eine Annäherung mittels einer Radien-Fasen-Korrektur vorgenommen. Es zeigt sich, dass zur Reduzierung der spezifischen Reibenergie das Übermaßniveau direkt an der Nabenkante relevant ist und der darauffolgende Verlauf des Übermaßes nur von untergeordneter Bedeutung ist. Somit ist eine Reduzierung der Reibdauerbeanspruchung mittels eines an das spannungshomogenisierte Übermaß an der Nabenkante angenäherten Fasenniveaus realisierbar. Erstmalig wurde numerisch der lokale Reibwert an den schlupfbehafteten Gleitzonen innerhalb der Fugenfläche schrittweise erhöht, um die Veränderung der realen Reibverhältnisse abzubilden. Vergleichend mit den integral eingesetzten Reibwerten bewirkt die Anpassung des lokalen Reibwertes eine Schlupfzunahme von maximal 1 µm. Mit der experimentellen Schlupfmessung konnte infolge des direkten Vergleichs vor und nach der dynamischen Belastung eine deutliche Reduzierung der Schlupfamplituden ermittelt werden. Mithilfe analytischer Gleichungen gelingt es, den dafür angepassten lokalen Reibwert für die konventionellen und die spannungsoptimierten Pressverbindung zu errechnen. Die jungfräulich lokalen Reibwerte von 0,3 bis 0,4 stiegen während der Belastung bei gemessenen Rautiefen von Rz = 5 µm auf ein Niveau bis 0,7 an. Diese Reibwerterhöhung wird für geschliffene Proben wahrscheinlich noch höher ausfallen und somit auch direkte Reibverschweißungen an der Nabenkante mit sich bringen.
This work presents the results of experimental and numerical investigations, showing how changes in the topography of the contact surface of cylindrical pressed shaft-hub connections lead to stress optimization effects which considerably reduce the occurrence of stress peaks and fretting fatigue at the hub edge. This homogenization of stress is realized by a variable interference along the axial length of the connection. The key objective of the research at hand was to establish a holistic methodology for the examination of shaft-hub connections subjected to torsional load which would enable direct comparison of numerical and experimental results. Within the framework of the research, an innovative test bench concept with standing still specimen allowing two standing shaft-hub connections to be tested simultaneously was developed for dynamic experimentation. Extremely flexible in deployment, the new test bench is suitable for performance of a wide variety of torsion tests. In addition, a circumferential bend may be superimposed in parallel. For further experimental investigations, a device was developed for usage in calculating the integral friction value in circumferential direction. An advanced approach for measurement of the relative movement at the hub edge was introduced to quantify the change in friction characteristic at the hub edge before and after application of dynamic stresses. Numerical results of stress-optimized pressed connections evidence an increase in slip at the hub edge with the subsequent reduction in pressure at this location leading to a significant drop in specific friction energy for all the pressed connections examined. Results for smooth shafts showed that the specific friction energy was reduced to under half the original value, while for shafts with shoulder fillets the figure decreased to even lower than one-fourth. When special transitions between the chamfers of the shafts at the hub edge were investigated using various groove shapes, these also showed a clear reduction in friction energy. To analytically compute the slip for stress-strain homogenized pressed connections, an analytical formula proposed by Leidich /LEIDICH83/ has been used to calculate correction curves for the pressed connections investigated, multiplying them to derive the slip. Furthermore, this work presents correction curves which have been found suitable for the analytical calculation of slip as a function of the shaft shoulder. To adapt the optimal press fit, an approximation using radius-chamfer correction was carried out. Results showed that the press fit interference at the hub edge is the crucial factor for a reduction in the specific friction energy with the further interference playing only a subordinate role. Hence, it follows that a reduction in fretting fatigue may be achieved by correct design of the chamfer height at the hub edge. For the first time ever, the local friction value at the slip zones within the contact surface was increased in increments to represent changes in the real friction conditions. Com-pared to the integral friction values, this adjustment of the local friction value resulted in an increase in slip of no more than 1 µm. Employing direct benchmarking techniques before and after dynamic stress testing, the experimental slip measurement approach determined a sharp reduction in slip amplitudes. Then using analytic equations, the adapted local friction value can be calculated for both the conventional and stress-optimized pressed connections. Before applying the load, the friction values ranged between 0.3 and 0.4 with a measured roughness depth of RZ = 5 µm. The friction values rose up to 0.7 while the load was applied and remained constant. This increase in the friction value is significantly greater for smooth specimens, thus resulting in direct friction fusing at the hub edge. Since a pressed connection is designed in a range under the slip torque threshold, these results imply that a much higher friction value can be assumed for the design than recommended in the relevant industrial norms DIN 7190 /DIN7190-01/ due to the fact that when dynamic stresses are applied a stationary status comes into being within the friction characteristic. Consequently, the stick-slip thresholds would also seem to be set too high for the specimens tested as these parameters were calculated on the basis of too low (local) friction values. There is therefore no evidence to conclude that, even for slip less than 0.5 µm, a pressed connection will be fatigue resistant. And this would seem to be underpinned by examinations of worn pressed connections where damage occurred after a number of years. This work arrives at the conclusion that assured design is only possible in pressed connections which do not evidence relative movement between the shaft and the hub.
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