Untersuchungen zu Eigenspanungen, Mikrostruktur und Schädigung im Fügebereich von hybriden Querpressverbänden mit keramischer Nabe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die steigenden Anforderungen vieler Einsatzgebiete an Maschinenelemente und Komponenten verlangen zunehmend nach Hochleistungswerkstoffen. Mit konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Kunststoff lassen sich diese Anorderungen oftmals kaum noch bzw. nicht mehr erfüllen. Solche Anwendungsgebiete finden sich beispielsweise in Hochtemperaturanwendungen, der chemischen Industrie, der Verschleißschutztechnik und vielen mehr. Durch die hervorragenden werkstoffspezifischen Eigenschaften von Keramiken bieten sich genau diese für die genannten Anwendungsfelder an. Die hohe Härte und große Druckfestigkeit, das geringe spezifische Gewicht, die gute Verschleißbeständigkeit, die sehr guten Hochtemperatureigenschaften, das gute Korrosionsverhalten, das häufig gute thermische und elektrische Isolationsvermögen sowie die gute biologische Verträglichkeit und Umweltverträglichkeit von Keramiken bieten ein außerordentlich hohes Potenzial für deren erfolgreichen Einsatz als Hochleistungswerkstoff, das bisher bei weitem noch nicht voll ausgeschöpft ist und auch nicht ausgeschöpft werden konnte. Das wirtschaftliche Potenzial von Keramiken liegt darin, dass der teure Werkstoff gezielt nur dort eingesetzt wird, wo seine Hochleistungseigenschaften erforderlich sind. An anderen Breichen und angrenzenden Strukturen, die keine hohen Leistungsanforderungen stellen, können kostengünstigere Materialen verwendet werden. Dies führt häufig zum Einsatz von Konstruktionselementen aus unterschiedlichen Materialien die dann als Hybridstrukturen bezeichnet werden. Von besonderer Bedeutung ist in einem solchen Fall eine werkstoffgerechte Verbindungen zwischen Keramik und der umgebenden Struktur, die meist aus Metall ist. Bei beweglichen keramischen Komponenten sind häufig Welle-Nabe-Verbindungen erforderlich. Die keramikgerechteste Verbindung stellt in diesem Falle ein Querpressverband dar. Diese Form der Welle-Nabe-Verbindung ist frei von geometrischen Kerben, die Krafteinleitung erfolgt großflächig und im Vergleich zu Klebe- und Kittverbindungen ist sie sehr torsionssteif und überlasttolerant. Der in der Trennfuge eines Pressverbandes vorhandene Fugendruck führt zu Zugumfangsspannungen in der Nabe, die bei spröden Werkstoffen wie der Keramik eine ungünstige Belastung darstellen. Bisher behalf man sich bei der Realisierung von Pressverbindungen mit vollkeramischen Naben damit, dass die auftretenden Zugspannungen durch einen metallischen Gurt um die Nabe aufgenommen werden oder indem durch eine geometrische Umkonstruktion im Fügebereich die Nabe mit einer Art Wellenstummel versehen und von einer aufgeweiteten Welle umschlossen wird. Beide Behelfslösungen stellen allerdings unzureichende Lösungsmöglichkeiten dar, die den Vorteilen einer vollkeramischen Nabe sowie den eines zylindrischen Querpressverbandes in gewisser Weise entgegenstehen. Noch versagenskritischer sind jedoch der ungleichförmige Verlauf der Spannungen über der Fügelänge des Pressverbands und das Auftreten von Spannungsspitzen an den Nabenkanten. Im Rahmen dieses Projekts ist es gelungen, durch eine geometrische Formgebung der Stahlwelle, basierend auf numerischen Analysen, einen Pressverband mit vollkeramischer Nabe zu realisieren, mit dem technisch relevante Drehmomente übertragbar sind. Das Ziel der Optimierung des Pressverbands ist ein konstanter Fugendruck über der gesamten Trennfuge. Nachdem die versagenskritische Zugumfangsspannung vom Fugendruck abhängig ist, lässt sich dadurch ein ertragbarer Spannungszustand gezielt einstellen. Der Optimierungsvorgang beruht darauf, dass der gewünschte homogene Fugendruck auf die Fügepartner Welle und Nabe als Einzelteile aufgebracht wird und die daraus resultierenden Verformungen ermittelt werden. Im Umkehrschluss müssen Fügepartner mit einer solchen, von einer idealen Zylinderform abweichenden Geometrie nach dem Fügen wieder zu einem homogenen Fugendruck in der Trennfuge führen. Die Anwendbarkeit dieser Optimierungsmöglichkeit konnte erfolgreich an Proben unter reiner Torsionsbeanspruchung nachgewiesen werden. Die erfolgreiche Realisierung hybrider Querpressverbände mit vollkeramischer Nabe ermöglicht den Einsatz in industriellen Anwendungen. Die hohe Härte und sehr gute Beständigkeit gegenüber chemisch aggressiven und abrasiven Stoffen verspricht z. B. im Pumpenbau eine deutliche höhere Standzeit medienberührter Teile wie beispielsweise von Pumpenlaufrädern. Durch das geringe spezifische Gewicht und die Hochtemperaturbeständigkeit der Keramik werden Einsatzgebiete in Turboladern und Kleingasturbinen ermöglicht, die eine deutlich bessere Performance und ebenfalls eine längere Standzeit aufweisen. Andere Anwendungsgebiete finden sich im Bereich von Wellenschutzhülsen mit besonderen Notlaufeigenschaften unter Mangelschmierungszuständen und im Bereich von Walzwerkzeugen, wo Keramiken aufgrund der geringen Adhäsionsneigung und der hohen Oberflächengüte vorteilhaft zu bewerten sind. Dass das im Rahmen dieses Forschungsprojekts entwickelte Optimierungsverfahren auch auf praktische Anwendungen übertragbar ist, konnte bereits während der Projektbearbeitungszeit nachgewiesen werden. Bei einigen dieser Anwendungen treten neben der maßgebenden Torsionsbelastung oft unerwünschte Sekundärbelastungen auf, die zum Teil versagenskritische Größenordnungen erreichen können. Solche kritischen Sekundärlasten resultieren zum Beispiel aus dem radialen An- bzw. Abströmen von Turbinen- oder Pumpenlaufrädern, was zu umlaufenden Biegebelastungen führt. Für die sichere Auslegung hybrider Pressverbindungen für praktische Anwendungen, in denen neben Torsion zusätzlich (Sekundär-) Belastungen auftreten, ist eine Weiterentwicklung der bisherigen Auslegungsempfehlung unbedingt erforderlich. Derzeit beschäftigt sich das Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design mit dieser Weiterentwicklung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Untersuchungen zur Auslegung hybrider Welle-Nabe-Pressverbindungen mit Naben aus monolithischer Keramik. VDI-Tagung "Welle-Nabe- Verbindungen", Wiesloch, 24./25.10.2007. VDI-Berichte 2004 S. 295 – 315
Blacha, M. ; Binz, H.
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Application of a hybrid interference fit assembly with monolithic ceramic hub. 2nd International Congress on Ceramics, Verona (Italien), June 29 - July 4, 2008
Wagner, M. ; Binz, H. ; Blacha, M.
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Basic numerical and experimental examinations for the component design of a hybrid interference fit using fully ceramic hubs. 2nd International Congress on Ceramics, Verona, Italy, June 29 - July 4, 2008, 2008
Blacha, M. ; Binz, H.
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Hybride Welle-Nabe-Verbindungen mit Naben aus monolithischer Keramik. Konstruktion 05/2008 S. 70 – 71
Blacha, M. ; Wagner, M. ; Binz, H.
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Stress-Adaption for Ceramic Hubs in Hybrid Interference Fits. NAFEMS Nordic Regional Summit 2008, Gothenburg, Sweden, November 17 - 18, 2008
Blacha, M. ; Binz, H.
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Application of Structural Optimisation Software for Ceramic Components. NAFEMS World Congress 2009, Crete, Greece, 16th - 19th June 2009
Wagner, M. ; Binz, H. ; Blacha, M.
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Entwicklung eines vollkeramischen Pumpenlaufrades für hoch abrasive Anwendungen. Konstruktion 5-2009. S. 51-52
Binz, H. ; Blacha, M. ; Wagner, M.
