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antriebstechnik 4/2016

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Kennwerte 4 Ø 40 0,833

Kennwerte 4 Ø 40 0,833 0,5‰ 1,5 Umlaufbiegung Halbzeugdurchmesser [mm] Entnahmedurchmesser [mm] C45E C45E C45E 42CrMo4+QT Tabelle 2: Zug-Druck-Wechselfestigkeit 42CrMo4+QT, Ø 75 EN-GJS-600 Ø 75 Ø 240 Ø 280 Ø 75 Ø 75 Ø 40 Ø 210 Ø 230 Ø 40 Ø 40 E [N/mm²] 216000 201000 184000 200000 135700 R e [N/mm²] 381 R p0,2 [N/mm²] 253 279 890 366 R m [N/mm²] 669 584 568 1050 647 A [%] 22 19 23 15 10 Tabelle 1: Werkstoffkennwerte aus dem statischen Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1:2009 2.2 Gestaltfestigkeitsuntersuchungen Die Untersuchungen zur Gestaltfestigkeit wurden gemäß Tabelle 3 mit Umlaufbiegeversuchen durchgeführt. Sie gliedern sich wie folgt: n Untersuchungen mit D F = 230 mm und n Untersuchungen mit d B = D F = 40 mm (Bezugs-Ø). Die Geometrievarianten orientieren sich am praktischen Einsatz: n Variante 1 (Pressverbindung mit glatter Welle) n Variante 2 (Pressverbindung + Freistich) und n Variante 3 (Passfederverbindung + Freistich) Für die Varianten 1 und 2 werden die Bezugsgrößen für d B = 40 mm aus den Forschungsberichten [7] und [8] entnommen. Der fehlende Bezug zur Passfeder wird durch Variante 4 hergestellt. Aus Kostengründen musste die Anzahl der Versuche mit großem Durchmesser auf ein vertretbares Maß reduziert werden; eine umfangreiche Betrachtung der Streuung war in diesem Stadium des Wissenstandes nicht möglich und wegen des Zieles der Verifizierung auch nicht notwendig. Der Einfluss des Übermaßes wurde für den Bezugsdurchmesser umfassend untersucht (s. z. B. [7], [8]). Die Ergebnisse sind übertragbar. Pro Variante wurden daher jeweils fünf Versuche mit vier Verbindungen durchgeführt, wovon mindestens drei bis zum Bruch gefahren wurden. Die Grenzlastwechselzahl für vier der fünf Versuche betrug 5 Mio. LW. Der als Durchläufer orientierte letzte Versuch wurde mit 10 Mio. LW festgesetzt. Alle Proben wurden mit DMS appliziert, die neben der Belastungsüberwachung auch als Abschaltkriterium genutzt wurden. An einer Verbindung der Variante 1 wurde zusätzlich der Schlupf an der Nabenkante ermittelt [1]. Da das K 3 (d) Diagramm, vergleiche Bild 02, auf geometrischer Ähnlichkeit beruht, wurden der Freistich und die Passfeder für die Verbindungen mit D F = 230 mm nicht normgerecht sondern geometrisch ähnlich zu den Verbindungen des Bezugsdurchmessers mit D F = 40 mm gefertigt. Die Unterschiede bezüglich der Spannungen und des Spannungsgefälles werden anhand der numerischen Untersuchungen erläutert (s. auch [1]). Parameterkombination WNV Übermaß ξ I / D Belastung Q Bemerkung Anzahl Variante Geometrie D F [mm] Wellenabsatz D F /D W F F A 1 Ø 230 / 1,0 ‰ 1,1 Umlaufbiegung 0,5 PV 5 2 0,833 1,0 ‰ 1,1 Umlaufbiegung 0,5 PV + Freistich 5 3 0,833 0,5‰ 1,5 Umlaufbiegung 0,5 PFV + Freistich 5 0,5 PFV + Freistich 7 Tabelle 3: Parameterkombinationen für die Untersuchungen mit Umlaufbiegung (l F : Fugenlänge) 94 antriebstechnik 4/2016

WELLE-NABE-VERBINDUNGEN Prüfstände Die Gestaltfestigkeitsuntersuchungen am großen Wellendurchmesser wurden beim akkreditierten Dienstleister SVÚM a. s. mit einem qualitativ vergleichbaren Prüfstand (Unwucht) wie am Institut für Konstruktions- und Antriebstechnik (IKAT) der TU Chemnitz durchgeführt. Dadurch war die Vergleichbarkeit mit bereits durchgeführten und noch durchzuführenden Versuchen mit dem Fugendurchmesser D F = 40 mm gewährleistet. Bild 01 links zeigt den Unwuchtprüfstand mit eingebauter Probe (Variante 1). Analog zu den bisher genutzten und bekannten Unwuchtprüfständen wird auch bei diesem Unwuchtprüfstand die Nabe der WNV auf einer Spannplatte beziehungsweise einem Fundament fest eingespannt. Am oberen Ende der freistehenden Welle wird eine umlaufende Querkraft über eine Unwucht eingeleitet. Infolge dessen wird die Verbindung durch Umlaufbiegung beansprucht. Die Prüffrequenz beträgt ca. 30 Hz. Die Untersuchungen zur Variante 4 wurden auf dem in Bild 01 rechts gezeigten Prüfstand durchgeführt. Die Prüffrequenz beträgt bei diesem ca. 20 Hz. 2.3 Versuchsauswertung Die Auswertung der Versuchsergebnisse erfolgt analog zu den Werkstoffuntersuchungen in Kap 2.1. In Tabelle 4 ist die Treppenstufenfolge für die Variante 1 dargestellt. Die Dauerfestigkeit der Pressverbindung (PV) liegt bei σ bADK = 76 N/mm². Der fünfte Versuch mit der vierten Probe wurde auf dem Lastniveau σ bnenn = 70 N/mm² bis 10 Mio. LW durchgeführt. Um den Anrissort selbst sowie die Risstiefe und den Risstiefenverlauf an der Welle festzustellen, wurde die PV von Versuch 1 ausgepresst. Anschließend erfolgten Rissuntersuchungen. Dabei wurde mit Hilfe einer DCPD-Messung (Direct Current Potential Drop Method) bei SVÚM a. s. [9, 10, 11] sowie nach dem Trennen der Welle am IKAT die Risstiefe ermittelt. Die getrennten Segmente sowie der Rissverlauf in Segment 1 sind in Bild 03 zu sehen. Weiterhin ist aus dem rechten Teilbild von Bild 03 die relativ schmale Schlupfzone l s mit ≈ 2 mm ersichtlich. In Bild 04 ist der nach der DCPD-Messung sowie nach dem Trennen ermittelte Risstiefenverlauf über den Umfang der Welle dargestellt. Die DCPD-Messung sowie die Messung am Segment stimmen sehr gut überein. Die Versuche mit der Variante 2 (PV mit Wellenabsatz) wurden analog durchgeführt. Die Auswertung nach der IABG-Methode führte zu einer Gestaltfestigkeit von σ bADK = 82 N/mm². Sie liegt demnach 8 % über dem Wert der glatten Welle [1]. 05 Anrisse in der Probe von Variante 3 im Bereich der Passfedernutrundung (ξ = 0,5 ‰, σ b,nenn = 80 N/mm² und τ m /σ b,a = 0) 06 Bruchfläche ausgewählter Proben; Variante 4; (ξ = 0,5 ‰, σ b,nenn = 110 N/mm² und τ m /σ b,a = 0) Gemäß Tabelle 3 wurde die Variante 3 (Passfederverbindung (PFV) mit Wellenabsatz und Freistich) mit 0,5 ‰ Übermaß ausgeführt. Um ein Herausdrehen der Welle bei Biegebelastung zu verhindern, wurde die Welle am unteren Ende mit einer Scheibe gesichert. Die so ermittelte Gestaltfestigkeit der PFV beträgt σ bADK = 76 N/mm² [1] und liegt somit auf dem Niveau der PV mit glatter Welle (Variante 1). Bild 05 zeigt die Anrisse im Bereich der Passfedernut und der Nabenkante. Entgegen den ursprünglichen Erwartungen trat der Anriss nicht in der Wirkzone im Übergang Passfedernutradiustragende Nutflanke auf, sondern im Nutgrundradius an der Stirnseite der Pass federnut. Von dort aus laufen beide Anrisse an die Nabenkante. Die Untersuchungen für die Variante 4 wurden auf dem in Bild 01 rechts gezeigten Unwuchtprüfstand durchgeführt. Für die Vergleichsvariante mit τ m /σ b,a = 0 wurde gemäß Tabelle 5 die Gestaltungsfestigkeit σ bADk = 110 N/mm² ermittelt. Die Untersuchungen der Anrisse und Brüche weisen zwei Anrissorte auf. Ein Anriss beginnt im Nutgrundradius in der Passfedernut und wächst in den Freistich, ein weiterer beginnt im Freistich selbst. Die Anrissorte sind sehr wahrscheinlich auch lastabhängig, da bei der Probe des Versuchs 1 (σ b,nenn = 120 N/mm²) die Anrisse im Tabelle 5: Treppenstufenfolge von Variante 4, D F = 40 mm, D W = 48 mm, (ξ = 0,5 ‰ und τ m /σ b,a = 0) Tabelle 4: Treppenstufenfolge von Variante 1; D F = 230 mm (ξ = 1,0 ‰) antriebstechnik 4/2016 95

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