Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von topologisch optimierten Pressverbänden bei Umlaufbiegung

Abstract

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.

The DIN standard helps to evaluate the reliability of the shaft-hub-connection against yielding or the flow of material. But there is no specific evidence to determine the durability. The durability of frictional shaft-hub-connections is limited among other things by the fretting fatigue. The specific friction energy can be used as evaluation criteria for the fretting fatigue. The specific friction energy consists of the product of radial stress / joining pressure and the dynamic slip between shaft and hub. To change the value of the friction energy it is possible to vary the interference between shaft and hub. On the one hand, the product of pressure and slip will decrease, since the pressure decreases, but on the other hand slip will increase due to the lower pressure. With the help of a specific reduction of the interference between shaft and hub in the area of the hub edge it is possible to achieve a constant joining pressure. This homogenization has a positive effect on the length of life of the connection. Regardless of the hubs micro contour fretting fatigue will happen due to the dynamic load. The result is training of the shaft hub connection. Training means tribological processes within the joint. The connection will go through at least two phases. Due to training the bending moment increases. The training (Phase I) evolves quickly to a stable level (Phase II). After approximately 500.000 load cycles training is finished. Phase III is the shaft fracture. The training of the connection can be additionally evaluated by a reduced length of dynamic slip. This can be explained by the two surfaces of the shaft and the hub aligning and adapting to each other. Therefore they adhere better to each other. In addition the fretting fatigue causes corrosion particles. These particles are harder than the shaft or hub, so they can be considered as micro interlock. Only a few of the particles are carried outside by the dynamic slip and are visual. The parameters the friction energy consists of change due to the training. Therefore the friction energy will be investigated before as well as after the training of the shaft-hub-connection. The peak load of the friction could be shifted away from the hubs edge by the reduction of the interference at the hubs edge towards the inside of the shaft-hub-connection. Comparative studies between cylindrical and pressure homogenized shaft-hub-connections showed that the durability of the homogenized connections exceeds the cylindrical connections. But the difference is not as high as expected regarding the comparison of the specific friction energy within the untrained state. Previous studies use the specific friction energy within the untrained state as criteria. A comparison of the specific friction energy within the trained state shows a good compliance between experimental and numerical results. A new contour is developed based on the knowledge that friction energy within the trained state of the connection is important. The fretting fatigue optimized contour found shows lower friction energy before as well as after the training compared to the cylindrical as well as the joint pressure homoge-nized connections. The improved values are achieved by reducing the slip to an absolute minimum. This is done by a small increase of the interference. The remaining slip happens in an area of reduced joint pressure. Experimental studies with the fretting fatigue optimized hub contour show once more the importance of the maximum of the specific friction energy within the trained state regarding the prognosis of the durability for the connection. It seems like there’s certain specific friction energy within the trained state of a connection which may not be exceeded. This limit is reached if 63 % of gap bending moment is applied to cylindrical shaft hub connection. The joint pressure homogenized connection stands up to 68 % of gap bending moment. For those two contours the experimental and numerical results match quite well. The fretting fatigue optimized hub stands 77 % gap bending moment. Theoretically it could stand 81 %. The difference between the experimental and numerical results can be explained by the manufacturing tolerances. A feed change is necessary to manufacture the friction fatigue hub. Therefore the tolerances are higher than with the two other contours. The specific friction energy within the trained state is an important value for the prediction of the durability of the shaft-hub-connections. Depending on the micro contour of the training of the shaft hub connection can increase or decrease the friction energy. However the value within the trained state is significant. The friction energy has a direct effect on the durability. Regardless of the actual contour there seems to be a certain limit for the specific friction energy which shouldn’t be exceeded. The experimental proof is still pending.