Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der Gleitzonenlängen sowie des Übertragungsverhaltens von Preßverbindungen mit ungleichmäßiger Nabenwandstärke bei dynamischer Drehmomentbelastung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die experimentellen Untersuchungen erfolgten an mit MoS2-Ölpaste gefügten exzentrischen Längspressverbindungen und an trocken gefügten exzentrischen Querpressverbindungen mit Wellen aus 42CrMo4 und StSO sowie Naben aus 20MnCr5 (ungehärtet) und St37, Pressfugennenndurchmessern von 30 mm, Pressfugenlängen von 42 mm, Nabenaußendurchmessern von 65 mm und Exzentrizitäten von 7,5 mm, 10,5 mm, 12,5 mm und 14,5 mm sowie Übermaßen im Normalfall von 20 μm, 40 μm, 60 um, 80 μm und in Sonderfällen bis zu 220 μm auf nach dem Resonanzprinzip mit Unwuchterregung arbeitenden rein wechselnden dynamischen Verdrehprüfständen (Eigenkonstruktion von Prof. Dr.-Ing. habil. Gropp) nach einer bereits 1970 von Gropp entwickelten und in dessen Dissertation und vor allem in dessen Habilitationsschrift ausführlich beschriebenen speziellen Versuchsmethode zur Ermittlung der Übertragungsfähigkeit von Pressverbindungen bei dynamischer Belastung. Die experimentellen Untersuchungen zum Übertragungsverhalten von exzentrischen Pressverbindungen bei rein wechselnder dynamischer Drehmomentbelastung führten größtenteils zu Ergebnissen, die qualitativ mit den an zentrischen Pressverbindungen gewonnenen Ergebnissen übereinstimmen, aber auch zu völlig neuen, zusätzlichen Ergebnissen, die nur für die exzentrischen Pressverbindungen typisch sind. Die bereits in der Dissertation und Habilitationsschrift von Gropp sowie den vorangegangenen DFG-Themen an zentrischen Pressverbindungen experimentell ermittelte Erhöhung der Belastungsübertragungsfähigkeit infolge dynamischen örtlichen Wechselgleitens (Schlupf, Mikroschlupf) entsprechender Größe trat auch bei exzentrischen Pressverbindungen etwa in der selben Größe wie bei vergleichbaren zentrischen Pressverbindungen auf und wurde in Diagrammen dargestellt. Dabei ist für eine erfolgreiche praktische Nutzung eine aus dem Tribosystem resultierende fortschreitende zerstörende Passungsrostbildung zu verhindern. Das ist durch Anwendung von MoS2-Ölpaste beim Fügen als Längspressverbindung und durch spezielle Phosphatierung einer Pressfläche beim Fügen als Querpressverbindung, aber auch als Längspressverbindung möglich. Damit ist gleichzeitig gewährleistet, dass es bezüglich der Belastungsübertragungsfähigkeit von zentrischen und exzentrischen Pressverbindungen keine Ermüdungskurve etwa analog einer Wöhlerkurve bei Daueifestigkeitsuntersuchungen gibt, wie alle experimentellen Untersuchungen von Gropp zeigten. Die nachfolgend angegebenen speziell nur für exzentrische Pressverbindungen gültigen in diesem Thema erarbeiteten Forschungsergebnisse sind für den industriellen Einsatz, z.B. bei gebauten Nocken- und Kurbelwelten, sehr entscheidend, völlig neu und dokumentieren eindeutig den wissenschaftlichen Fortschritt gegenüber dem Zeitpunkt der Antraastellung für dieses DFG-Proiekt. Sie zeigen aber auch ganz deutlich, dass die bisher übliche Betrachtung exzentrischer Pressverbindungen in der Form, dass sie als zentrische Pressverbindungen mit der minimalen Nabenwandstärke der exzentrischen Pressverbindungen befrachtet werden, nicht den realen Gegebenheiten entspricht. Im Gegensatz zu den zentrischen. Pressverbindungen sind aber bei den exzentrischen Pressverbindungen die Gleitwege und damit auch die Gleitzonenlängen über den gesamten Pressfugenumfang nicht gleich groß, sondern durch die über den Umfang unterschiedliche Torsionsfedersteife der Nabe unterschiedlich. Das äußert sich auch in unterschiedlichen Oberflächenrauheiten und unterschiedlichen Materialanteilkurven (Abottsche Kurven), die in den über den Pressfugenumfang unterschiedlichen örtlichen Gleitbereichen an nach der dynamischen Belastung aufgetrennten Versuchsproben mit einem Hommeltester T 1000 ermittelt wurden. Mit zunehmender Exzentrizität werden alle diese Unterschiede größer. Bereits beim Fügen als Längs- oder Querpressverbindung verschiebt sich die Welle von der Seite mit der maximalen Nabenwandstärke etwas zur Seite mit der minimalen Nabenwandstärke. Bei Drehmomentbelastung verlagert sich die Welle nochmals, da sie in gewisser Analogie zu einem Gleitlager versucht, in der Nabenbohrung „aufzulaufen". Diese Mittelpunktsverlagerung der Welle gegenüber der Nabenbohrung kann sich teilweise etwas erhöhend auf die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Verbindung auswirken. Gegenüber vergleichbaren zentrischen Pressverbindungen ist bei exzentrischen Pressverbindungen mit geringer minimaler Nabenwandstärke (hier 3 mm) ein Fügen als Schrumpf- oder Schrumpf-Dehn-Verbindung oft bereits bei kleinen Übermaßen (hier 20 μm) problematisch bzw. teilweise sogar unmöglich infolge des örtlich sehr unterschiedlichen Abkühlungsvorganges der Nabe und der dadurch hervorgerufenen örtlich sehr unterschiedlichen Nabenbohrungsverformungen. Der Abkühlungsvorgang der Nabe unmittelbar vor und nach dem Fügen der Schrumpfverbindung wurde mit einer Wärmebildkamera aufgenommen und dokumentiert. Die größte Nabenbeanspruchung tritt bereits schon beim Fügen an der Stelle der geringsten Nabenwandstärke auf und ist dort oft mit örtlichen elastisch-plastischen bzw. plastischen Nabenverformungen verbunden. Im Gegensatz dazu findet bei zentrischen Pressverbindungen eine gleichmäßig starke Plastizierung bzw. Teilplastizierung innerhalb einer konzentrischen Ringfläche des Nabenquerschnittes statt. Eine Pressverbindung mit großer Exzentrizität kann etwa mit einer Klemmverbindung mit geschlitzter Nabe verglichen werden, bei der die Klemmkraft mit Schrauben erzeugt wird, die normalerweise eine wesentlich geringere Steifigkeit haben als die Nabe mit entsprechender Wandstärke.2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Künftige Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der exzentrischen Pressverbindungen sollten sich auf Biegebelastung, Querkraftbelastung sowie kombinierte Belastung aus Drehmomenten, Biegemomenten und Querkräften beziehen. Gerade durch die Querkraft- und Biegemomentbelastung werden abhängig von der Belastungsgröße die durch das Fügen erzeugte Fugenpressung und ihr Verlauf verändert, während das bei Drehmomentbelastung nicht der Fall ist. An manchen Stellen der Pressfuge kommt es somit zu Erhöhungen und an anderen zu Erniedrigungen der Fugenpressung, wobei es örtlich zu Plastizierungen, aber auch zum Fugenklaffen kommen kann. Beides kann aber durch eine richtige Dimensionierung vermieden werden. Die Hauptanwendungsgebiete dieses DFG-Themas über drehmomentbelastete exzentrische Pressverbindungen, aber auch der vorstehend geschilderten künftigen Arbeiten unter Einbeziehung der Biegemoment- und Querkraftbelastung liegen in der Herstellung mittels Pressverbindungen gebauter Nockenwellen und Kurbelwellen. Besonders die gebauten Nockenwellen gewinnen infolge entscheidender Gewichtseinsparungen, zusätzlicher Dämpfung durch die Pressfuge und getrennter Materialoptimierungen der einzelnen Bauteile (Nocken, Welle, Lagerringe, Endstücke) immer mehr an industrieller Bedeutung und Anwendung. Unter Anwendung der von Gropp in interdisziplinärer Zusammenarbeit vorwiegend mit der Professur Verbundwerkstoffe der TU Chemnitz entwickelten neuen Generation von Pressverbindungen mit beschichteten Pressflächen wurden von Gropp und Klose bereits einige gebaute Nockenwellen gefügt und experimentell eine sehr hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit nachgewiesen, die weit über den Betriebsdrehmomenten liegt. Alle Nocken und Lagerringe wurden hier von einer Seite auf ein glattes phosphatiertes Rohr aufgepresst. Diese Lösung ist fertigungstechnisch gegenüber allen anderen Fügeverfahren (Innenhochdruckaufweiten, Fügen als Querpressverbindung, Aufpressen der Nocken auf speziell profilierte Sitzflächen usw.) sehr einfach und sehr kostengünstig. Firmen beabsichtigen nach dieser Methode gebaute Nockenwellen industriell herzustellen und eine Phosphatierungsanlage zur industriellen Pressflächenphosphatierung zu errichten. Mit ihnen wird eng zusammen gearbeitet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Voraussage des Anrisses in Welle-Nabe-Verbindungen. antriebstechnik 9/2005, S, 48-52
Ziaei, M.; Gropp, H.; Wächter, K.
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Welle-Nabe-Verbindungen als Tribosystem. antriebstechnik 8/2005, S. 40-43
Gropp, H.; Wächter K.; Ziaei, M.
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Das Übertragungsverhalten von Pressverbindungen mit über dem Umfang ungleichmäßiger Nabenwandstärke bei dynamischer Drehmomentbelastung. VDI-Tagung „Welle-Nabe-Verbindungen", 24. und 25. Oktober 2007, Wiesloch bei Heidelberg; VDI-Tagungsband VDI-Berichte 2004, S. 345-358; (VDI Verlag GmbH Düsseldorf 2007)
Gropp, H.; Adler, Th.; Klose, D.
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Neue Tribophosphatierung für industrielle Anwendungen, insbesondere Pressverbindungen. VDI-Tagung „Welle-Nabe-Verbindungen", 24. und 25. Oktober, Wiesloch bei Heidelberg, VDI-Tagungsband VDI-Berichte 2004, S. 111-128 (VDI Verlag GmbH Düsseldorf 2007)
Gropp, H.; Steinhäuser, S.; Wielage, B.; Lampke, T.; Dietrich, D.; Elasheg, A.; Malzahn, B.
