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Passfederverbindungen (PFV) können infolge tribologischer und spanungsmechanischer Schädigungsmechanismen versagen, welche wiederum an unterschiedlichen Orten im Nutbereich entweder Risse initiieren (Gestaltfestigkeit) oder unzulässig große plastischen Deformation verursachen. Die aktuell gängigen Auslegungsrichtlinien erfassen die Zusammenhänge nur unzureichend. Mit dieser Arbeit wird ein tieferes Verständnis aufgebaut, um dadurch die Festigkeit der PFV präziser abzuschätzen. Die Untersuchungen zur Gestaltfestigkeit der PFV bestätigen die deutliche Unterschät-zung der Kerbwirkung, die mit steigender Werkstofffestigkeit weiter zunimmt. Auf Basis der experimentellen Untersuchungen konnten neue Kerbwirkungszahlen ermittelt werden, welche diese Diskrepanz beseitigen. PFV versagen als Folge der Reibdauerermüdung, was von numerischen und fraktografischen Analysen untermauert wurde. Diesbezüglich wurde die Anwendbarkeit der tribologischen Festigkeitsbeurteilung auf Basis von s.g. Reibdauerkorrosionsfaktoren bestätigt. Wenn die Rissinitiierung der PFV an der freien Oberfläche erfolgt, kann die Kerbwirkung mittels örtlicher Methoden abgeschätzt werden. Für die hier durchgeführten Untersuchungen zur plastischen Aufweitung der Wellennut wurde das neue Versagenskriterium der plastischen Nutaufweitung formuliert. Auf Grundlage der Basisversuche wurde ein Messverfahren entwickelt und ein Grenzwert festgelegt, ab welchem die Verbindung als ausgefallen gewertet werden kann.:Inhaltsverzeichnis VII Kurzzeichenverzeichnis X Abkürzungen XIII 1 Einleitung und Motivation 1 2 Stand der Technik / Grundlagen zur PFV 4 2.1 Grundlegender Aufbau einer PFV 4 2.2 Dimensionierung von PFV 5 2.2.1 Berechnung der Übertragungsfähigkeit auf Basis von Flächenpressung 6 2.2.2 Berechnung der Gestaltfestigkeit auf Basis von Nennspannungen 7 2.2.3 Berechnung der Gestaltfestigkeit auf Basis örtlich ermittelter Spannungen 7 3 Stand der Forschung 9 3.1 Festigkeit von PFV 9 3.2 Deformation der Nut bei PFV 20 4 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 22 5 Untersuchungsmethoden 26 5.1 Experimentell 26 5.1.1 Versuchsperipherie 26 5.1.2 Versuchsprogramm und -durchführung 28 5.1.3 Grundlagen zur Werkstoffcharakterisierung und Durchführung von Schwingversuchen 30 5.1.3.1 Quasi-statischer Zugversuch 30 5.1.3.2 Härtemessung 31 5.1.3.3 Versuchsdurchführung im Einstufen-Schwingfestigkeitsbereich 32 5.1.3.4 Rechnerische Ermittlung von Festigkeitskennwerten auf Basis experimentell ermittelter Kenngrößen 37 5.2 Numerischer Modellaufbau 37 6 Werkstoffuntersuchungen 40 6.1 Werkstoffkennwerte für Untersuchungen zur Gestaltfestigkeit 40 6.2 Werkstoffkennwerte für Untersuchungen zur Nutaufweitung 43 7 Untersuchungen zur Gestaltfestigkeit von PFV 46 7.1 Beanspruchung und Versagen 46 7.2 Experimentelle Untersuchungen 48 7.2.1 Basisversuche: PFV ohne Übermaß zwischen Welle und Nabe 48 7.2.2 Einfluss eines Übermaßes zwischen Welle und Nabe 51 7.2.3 Referenzversuche an blindgehärteten Wellen aus 18CrNiMo7-6 53 7.2.4 Einfluss des Wellendurchmessers (Größeneinfluss) 54 7.2.5 Einfluss der Nabenwandstärke 57 7.2.6 Untersuchungen zum Versagensmechanismus 59 7.2.7 Versuche im Zeitfestigkeitsbereich 63 7.2.8 Versuche mit wechselnder Belastung 65 7.2.9 Versuche mit trockener Verbindung 66 7.2.10 Fraktografische Analyse 68 7.3 Numerische Untersuchungen 73 7.3.1 Tribo-mechanische Schädigung 73 7.3.2 Einfluss des Übermaßes auf die tribo-mechanische Schädigung 76 7.3.3 Einfluss der Nabenwandstärke 76 7.3.4 Untersuchung zur Rissinitiierung an freier Oberfläche (Form B) 78 8 Untersuchungen zur maximal zulässigen Nutaufweitung 84 8.1 Plastische Nutaufweitung als Ausfallkriterium 84 8.2 Basisversuche 87 8.3 Anheben des Grundniveaus auf Basis der zulässigen Nutaufweitung 88 8.4 Absicherungsversuche mit 10 Mio. Lastwechseln 91 8.5 Übermaß zwischen Welle und Nabe – Reibschlussfaktor KR 92 8.5.1 Quasi-statische Untersuchungen 93 8.5.2 Dynamische Untersuchungen mit Übermaß und schwellender Torsion 95 8.6 Einfluss ausgewählter Parameter auf die zulässige Nutaufweitung 97 8.6.1 Lastspitzenhäufigkeitsfaktor fL 97 8.6.2 Lastrichtungswechselfaktor fW 100 9 Auswertung und Interpretation der Untersuchungen 101 9.1 Festigkeit der Welle 101 9.1.1 Neujustierung der Kerbwirkungszahlen 101 9.1.2 Einbindung relevanter Einflussgrößen 104 9.1.2.1 Berücksichtigung des Übermaßes zwischen Welle und Nabe 104 9.1.2.2 Weitere untersuchte Einflussparameter 109 9.1.2.3 Diskussion zum Versagensort 111 9.1.2.4 Untersuchungen zur Zeitfestigkeit 111 9.1.3 Beurteilung der lokalen tribologischen Beanspruchung 112 9.1.4 Beurteilung der lokalen spannungsmechanischen Beanspruchung 116 9.2 Plastische Deformation der Nut 117 9.3 Einfluss des Wellenwerkstoffes auf den Ausfallmechanismus 121 10 Zusammenfassung und Ausblick 124 Literaturverzeichnis 128 Anhang 137 Anhang A 137 Anhang B 141 Anhang C 142 Anhang D 145 |
