Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-4153
Authors: Blacha, Martin
Title: Grundlagen zur Berechnung und Gestaltung von Querpressverbänden mit Naben aus monolithischer Keramik
Other Titles: Fundamental examinations concerning analysis and design of interference fits with monolithic ceramic hubs
Issue Date: 2009
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Bericht / Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, Universität Stuttgart;564
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-40350
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4170
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4153
ISBN: 978-3-922823-69-8
Abstract: 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.
Among the shaft-hub-connections, the interference fit between a steel shaft and a hub made of monolithic ceramics is a joining technique which is most suitable for ceramics. Nevertheless, such a machine part has not been put into service up to now since the tensile stresses, especially resulting from stress peaks at the ends of the shaft hub connection (SHC), limit the magnitude of the interference and thus the torque transmitting capability. In case of a too high interference, the ceramic hub collapses due to the exceeding of the allowable tensile stress magnitude in the ceramic hub at the ends of the interference fit. Moreover, the complex loading condition of the ceramic hub, when achieving such a hybrid press fit with a monolithic ceramic hub (HPF), leads to difficulties in estimating the resulting stresses and their criticality. One big effort is to find a failure criterion for the complex-loaded ceramic material which can be easily applied by the engineer so that subcritical crack growth and a sudden rupture can be excluded. Besides the characterisation of ceramic materials concerning their behaviour under the complex loading conditions of a ceramic hub and the impact on the design of the HPF, a method to reduce the adverse stress peaks by a local reduction of the interference is described. This local reduction of the interference with regard to a stress optimisation is achieved by detailed analyses using the Finite-Element-Method (FEM) including the effect of axial friction in the interstice which leads to a sophisticated shape of the shaft’s contour. In case of the comparatively high axial friction in the interstice, a new model for an “a priori” consideration of friction in the Finite-Element-Analyses (FEA) is developed and verified. The stress optimisation in the ceramic hub itself is performed concerning two different optimum stress criteria: On the one hand, a homogeneous distribution of the contact pressure over the whole length of the interstice and on the other hand a preferably homogeneous distribution of the first principal stress to reduce the risk of rupture can be achieved. After deriving the best-fit shape to ensure a homogeneous contact pressure, the sensitivity of the derived model for the simulation of axial friction is examined and the influence of manufacturing tolerances on the stress level is discussed. The final FE-examinations are carried out to describe the impact of different geometries of the hub on the ideal shape of the shaft with respect to the hub’s optimal stress state. In order to verify the results of the theoretical examinations, experiments are carried out with an exemplarily chosen geometry of a HPF which easily enables a comparison to formerly derived test results of specimens completely made of steel. The comparison of different failure criteria described in literature leads to an easily applicable criterion which is comparatively non-conservative in defining a limit for the endurable stress-level in the ceramic hub. To verify the theoretical results, different experimental examinations are carried out. At first, HPFs with various interferences are subjected to dynamic torsional tests up to 2^*10^7 cycles (or until failure occurred) to find the corresponding “fatigue limit” for the HPF depending on the interference at a torsional load of 850 Nm. In addition, two different kinds of static tests are performed in order to find out the magnitude of slip at the edge of the hub before and after the dynamic torsional tests are performed. A second aim is to get information about the overall coefficient of friction in the interstice in tangential and axial direction. The experimental results show that the chosen failure criterion for defining the tensile stress limit for subcritical crack growth in the ceramic hub was indeed conservatively chosen. The specimens were manufactured with different radial interferences in order to find out the “real” limit for the short-time strength of the hub. All hubs which survived the joining procedure were applied with a swelling torsional load of 850 Nm until 2*10^7 cycles were reached. The evaluation of the static torsional tests to determine the unknown coefficient of friction in the interstice showed that the assumption of µ = 0.4 for the theoretical examinations is very close to the mean value of µ = 0.35 in the experiments. After a re-calibration of the FE-Model with the experimentally derived coefficient of friction, the slip at the edge of the hub of the theoretical results and the experiments is nearly identical. In general, the consistency of the experiments and the theoretical examinations are good, and the visual examination of the contact surface showed a significantly smaller area where fretting corrosion has been observed. At last, a first guideline for designing a HPF is given in this thesis which enables the engineer to design a nearly safe-life HPF using fully ceramic hubs under torsional loads at room temperature.
Appears in Collections:07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dissertation_Blacha.pdf15,32 MBAdobe PDFView/Open
Diss_Einband_Zugeschnitten.pdf20,66 kBAdobe PDFView/Open


Items in OPUS are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.