Ausfallmechanismen, Ausfallmodelle und Zuverlässigkeitsbewertung von kalten Kontaktiertechniken

Günter, Friedhelm GND

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein grundlegendes Verständnis der Ausfallmechanismen für Schneid-Klemm-Verbindungen und Einpressverbindungen unter niederfrequenten mechanischen und thermischen Belastungen geschaffen. Hierzu werden neuartige Prüfkonzepte entwickelt, die einerseits eine Trennung der mechanischen und thermischen Belastungen ermöglichen und andererseits für die produktunabhängige Erprobung realer Kontaktgeometrien geeignet sind. Mit Hilfe der neu entwickelten Prüfstände werden die Schadensbilder und Ausfallmechanismen der Verbindungen unter niederfrequenten, weggesteuerten mechanischen Belastungen detailliert erarbeitet. Aufbauend auf dieser systematischen Beschreibung der Ausfallmechanismen wird eine Methode zur Lebensdauervorhersage entwickelt. Diese ermöglicht die Identifikation verschiedener Belastungsregime, so dass bereits nach wenigen Lastwechseln eine Abschätzung der Lebensdauer erfolgen kann.

In this thesis the failure and failure mechanisms of insulation-displacement-connec"-tions (IDCs) and press-fit-connections (PFCs) under mechanical and thermal load are investigated as well as methods how one can evaluate the reliability of these connections. To this end new test concepts are developed, which for the first time allow to distinguish between the different load types and in addition permit testing of real connection geometries independent of the product the connection is used in. Therefore the load is directly applied to the connection. Using this method the load amplitude can be chosen arbitrarily and is independent of the ambient temperature. The observed conditioned failure mechanisms using these novel test concepts pave the way to next generation test procedures, which will enable to significantly reduce development times for connections in the future. After providing the reader with the theoretical concepts needed to understand the experiments in the first chapter, the second part is dedicated to getting a sound understanding of low-frequency mechanical load on connections for a given displacement. The failure mechanisms for this kind of load are studied in great detail for four different IDCs and two PFCs. This analysis can serve as a basis for evaluation and design of future connections in any application. Starting from the basic concepts on fretting corrosion the third part of the thesis will deal with the predictability of the lifetime of 1.5-mm-IDCs. For this purpose the force introducing the load together with the deflection is monitored. The shape of the force-deflection-diagram allows one to assign the different load amplitudes to certain fretting regimes. This classification opens up the possibility to get a good lifetime estimate already at a very early stage of the load. To point out that this way to estimate the lifetime is not only limited to IDCs, it is shown that one can successfully transfer this concept to PFCs. In the fourth part of the thesis the influence of pure thermal load and combined thermal and mechanical load is analysed for 1.5mm-IDCs. Under pure thermal stress the lifetime of the connections is only reduced under very extreme conditions (temperatures above 220 grad C and load times of more than one year). At temperatures below 150 grad C a fundamental requirement for the failure of the connection is a mechanical load in the area of contact. The comparison between test samples which have seen a direct mechanical load and those from thermo-mechanical-testing reveal a third parameter that affects the lifetime. It turns out that beside mechanical and thermal loads the frequency of the mechanical load plays a crucial role for the lifetime of the connection.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Schadensbildern, Ausfallmechanismen und Zuverlässigkeitsbewertungen von Schneid-Klemm-Verbindungen (SKV) sowie Einpress-Verbindungen (EPV) unter thermischen und mechanischen Belastungen. Im ersten Teil der Arbeit wurden hierzu neuartige Prüfkonzepte entwickelt, die einerseits eine Trennung der mechanischen und thermischen Belastungen ermöglichen und andererseits für die produktunabhängige Erprobung realer Kontaktgeometrien geeignet sind. Die Grundidee die mechanische Belastung direkt und nicht über eine thermomechanische Belastung einzubringen wurde für vier verschiedene Schneid-Klemm-Verbindungen und zwei Verbindungen aus der Einpresstechnik in Labor-Prüfeinrichtungen umgesetzt. Anhand dieser Prüfstände wurden in einem ersten Schritt die Schadensbilder und Ausfallmechanismen der Verbindungen unter niederfrequenten, weggesteuerten mechanischen Belastungen detailliert erarbeitet. Für die Praxis wurde hierdurch eine breite Basis zur Beurteilung von Feldausfällen und zur Auslegung der Verbindungen geschaffen. Außerdem wurde aus den Versuchsergebnissen ein Kriterium abgeleitet, dass eine Abschätzung des aktivierten Ausfallmechanismus bereits in FE-Modellen ermöglicht. Aufbauend auf der systematischen Beschreibung der Ausfallmechanismen und ausgehend von Grundkonzepten zur Reibkorrosion wurde für die 1,5-mm-SKV eine Methode zur Lebensdauervorhersage entwickelt. Die Form der Kraft-Weg-Kurve und deren Entwicklung unter einer mechanischen Last ermöglichen Belastungsregime einzuführen. Diese Einteilung eine Abschätzung der Lebensdauer bereits nach wenigen Lastwechseln, also in einem frühen Stadium der Belastung. In einem zweiten Schritt wurde die Methodik der Kraft-Weg-basierten Lebensdauerprognose erfolgreich auf Einpressverbindung\-en übertragen. Am Beispiel der 1,5-mm-SKV wurde im vierten Teil der Arbeit das Grundlagenverständnis der Schadensbilder sowohl auf statische Temperaturauslagerungen wie auch auf die Kombination von thermischen und mechanischen Belastungen erweitert. Rein statische Temperaturbelastungen beeinträchtigen die Lebensdauer der Verbindung unter extremen Belastungen (T=220 grad C und t>1 Jahr). Grundvoraussetzung für einen Ausfall bei Umgebungstemperaturen bis 150 grad C ist hingegen die Kombination mit eine mechanische Belastung der Kontaktzone. Die Gegenüberstellung von Temperaturwechselversuchen und direkter mechanischer Belastung bildet die Basis neuer Erprobungskonzepte, die durch den Einsatz einer direkten mechanischen Wechselbelastung Entwicklungszeiträume deutlich verkürzen. Über die im Rahmen der Arbeit eingeführte Trennung von thermischer und mechanischer Belastung konnten drei Faktoren identifiziert werden, die die Lebensdauer der Verbindungen beeinflussen: thermisch-aktivierte Ausfallmechanismen (Oxidation und Spannungsrelaxation), mechanische Belastungen und die Umlagerungsgeschwindigkeit. Aus dieser differenzierten Beschreibung ergibt sich die Möglichkeit in weiteren Versuchen Alterungsgesetze für kraft- und formschlüssige Verbindungen abzuleiten. Auch aus neuen Anwendungsfeldern ergeben sich eine Vielzahl an offenen Arbeitsthemen. Mit der zunehmenden Anzahl an Fahrzeugen mit Hybrid- oder Elektroantrieb steigen auch die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit von kraft- und formschlüssigen Kontakten. Um diesen gestiegenen Erwartungen sicher begegnen zu können, sind Untersuchungen an bestromten Kontakten und an neuen Werkstoffpaarungen erforderlich.

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Günter, Friedhelm: Ausfallmechanismen, Ausfallmodelle und Zuverlässigkeitsbewertung von kalten Kontaktiertechniken. Ilmenau 2010. Universitätsverlag Ilmenau.

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