Möglichkeiten und Grenzen bei der Auslegung von Schraubendruckfedern auf Basis von Umlaufbiegeprüfungen

Reich, René GND

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fragestellung bearbeitet, inwiefern zeit- und kostenintensive Dauerschwingversuche am Bauteil Schraubendruckfeder durch zeit- und kostengünstigere dynamische Versuche am Federausgangsmaterial Draht in Form von Umlaufbiegeprüfungen substituiert werden können. In diesem Zusammenhang wurden dynamische Versuche an präparierten ölschlussvergüteten Drähten in Form von Umlaufbiegeprüfungen, Torsionswechselprüfungen und Torsionsschwellprüfungen sowie Dauerschwingversuche an aus diesen Drähten hergestellten Schraubendruckfedern durchgeführt. Ergänzt wurden diese dynamischen Versuche durch Härtemessungen, Eigenspannungsmessungen und Bruchanalysen an gebrochenen Proben und Federn. Als Ergebnis dieser Arbeit werden auf Basis der durchgeführten Untersuchungen Methoden zur Übertragung von zulässigen Spannungsamplituden und bruchmechanischen Kennwerten aus Umlaufbiegeprüfungen auf Schraubendruckfedern abgeleitet und hinsichtlich ihrer Ergebnisqualität diskutiert.

Dynamic fatigue tests with helical compression springs are time-consuming and costly. This work introduces an alternative approach that uses statistical and calculation methods instead. These methods are derived from data generated by rotating bending tests with the starting material of the spring – the wire. The presented methods can be used to translate values of bending fatigue strength into values of fluctuating torsion strength of the helical compression spring. The predictions of the derived methods are finally compared to results of dynamic fatigue tests. In a first step a database is generated to allow the development of such methods. Therefore, prepared oil tempered wires as well as helical compression springs, produced from these wires, are dynamically tested. Rotating bending tests, alternating torsion tests, fluctuating torsion tests are applied to wire, while dynamic fatigue tests are applied to helical compression springs. In addition, hardness measurements, residual stress measurements and fracture analysis from broken specimen and components are used. In a second step, this data is used to develop the methods. It allows to relate permissible stress amplitudes and fracturing mechanic parameters from rotating bending tests of wires to helical compression springs. These methods allow deducing alternating torsion from rotating bending tests. Similarly, it offers the possibility to deduce fluctuation torsion from alternating torsion as well as the deduction of parameters of the helical compression spring from the wire. To show the reliability of the presented methods the permissible stress amplitudes within the load-cycle rate range of 106 and 107 of both - the dynamic fatigue tests and the model-predictions - are compared. The permissible stress amplitudes predicted by the methods correspond to results of the dynamic fatigue tests of peened helical compression springs at a level of 85%-97%. Similar precision is known as well from peened springs from patented drawn wire. In addition, the model can be used to determine the damage-equivalent volume of the helical compression spring. From this, the design relevant inclusion sizes can be deduced. Various size effects influence geometrically different helical compression springs. This work presents calculation methods that allow the consideration of such size effects to determine the permissible stresses.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fragestellung bearbeitet, inwiefern zeit- und kostenintensive Dauerschwingversuche am Bauteil Schraubendruckfeder durch zeit- und kostengünstigere dynamische Versuche am Federausgangsmaterial Draht in Form von Umlaufbiegeprüfungen substituiert werden können. In diesem Zusammenhang werden Methoden zur Übertragung von Biegewechselfestigkeitswerten des Drahtes auf Torsionsschwellfestigkeitswerte des zur Schraubendruckfeder gewundenen Drahtes gesucht und hinsichtlich ihrer Ergebnisqualität diskutiert. Um eine entsprechende Datenbasis für die Entwicklung von Methoden zur Übertragung zu generieren, werden dynamische Versuche an präparierten ölschlussvergüteten Drähten in Form von Umlaufbiegeprüfungen, Torsionswechselprüfungen und Torsionsschwellprüfungen sowie Dauerschwingversuche an aus diesen Drähten hergestellten Schraubendruckfedern durchgeführt. Ergänzt werden diese dynamischen Versuche durch Härtemessungen, Eigenspannungsmessungen und Bruchanalysen an gebrochenen Proben und Bauteilen. Als Ergebnis dieser Arbeit werden auf Basis der durchgeführten Untersuchungen Methoden zur Übertragung von zulässigen Spannungsamplituden und bruchmechanischen Kennwerten aus Umlaufbiegeprüfungen auf Schraubendruckfedern abgeleitet. Die abgeleiteten Methoden beinhalten eine Übertragung der Kennwerte aus Umlaufbiegeprüfung auf wechselnde Torsion, die Übertragung von wechselnder Torsion auf schwellende Torsion sowie die Übertragung von Kennwerten des Drahtes auf die der Schraubendruckfedern. Die aus Umlaufbiegeprüfungen an Drähten berechneten zulässigen Spannungsamplituden liegen im Schwingspielzahlbereich zwischen 106 und 107 zwischen 85 und 97% der direkt durch Dauerschwingversuche an kugelgestrahlten Schraubendruckfedern abgeprüften zulässigen Spannungsamplituden. Ähnliche Genauigkeiten wurden auch für kugelgestrahlte Federn aus patentiert gezogenem Draht festgestellt. Darüber hinaus werden unter Verwendung statistischer Methoden und Rechenansätze zur Bestimmung des hochbelasteten Werkstoffvolumens Zusammenhänge abgeleitet, mit deren Hilfe auslegungsrelevante Einschlussgrößen der jeweiligen Schraubendruckfeder ermittelt werden können. Zusätzlich werden Rechenansätze entwickelt, mit deren Hilfe auf der Seite der zulässigen Spannungen eine Berücksichtigung der verschiedenen Größeneinflüsse bei geometrisch unterschiedlichen Schraubendruckfedern erfolgen kann.

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Reich, René: Möglichkeiten und Grenzen bei der Auslegung von Schraubendruckfedern auf Basis von Umlaufbiegeprüfungen. Ilmenau 2017. Universitätsverlag Ilmenau.

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