Untersuchungen zum Schadensmechanismus Torsionsschwingbruch durch Kontaktermüdung an Schraubendruckfedern

Mack, Benjamin GND

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Wirkzusammenhänge des Schadensmechanismus „Torsionsschwingbruch durch Kontaktermüdung“ untersucht und Möglichkeiten zur Quantifizierung des Schadensmechanismus aufgezeigt. Hierfür werden Federvarianten mit unterschiedlichen Anlageverhalten gefertigt, charakterisiert und geprüft. Mit den bisher etablierten Methoden kann das Anlageverhalten nicht lokal und zugleich bei einer definierten Federkraft bewertet werden. Vor diesem Hintergrund wird die Lichtspaltmethode entwickelt. Die Lichtspaltmethode eignet sich im Gegensatz zu numerischen Verfahren auch zur fertigungsnahen Beurteilung des Anlageverhaltens. Zusätzlich ermöglicht die Lichtspaltmethode einen höherwertigen FE-Abgleich im Endwindungsbereich, als ein Abgleich über die Federrate oder mittels druckempfindlichen Papiers. Auf Grundlage der Schwingfestigkeitsversuche an Schraubendruckfedern, den Erkenntnissen aus dem lokalen und kraftabhängigen Anlageverhalten im Endwindungsbereich sowie numerischen Berechnungen wird abschließend eine Vorgehensweise zur Auslegung der Endwindungsgeometrie bei erhöhter Schwingspielzahl aufgezeigt.

The target of this paper is to examine the cause-effect relationships of the damage mechanism „torsion fatigue failure through contact fatigue“ and to point out options for quantification of the damage mechanism. For this purpose, spring variants with different end coil contact behaviours are produced, characterised and tested. The methods established to date cannot assess the end coil contact behaviour locally and at the same time at a defined spring force, which is required for the production of test springs with specifically varying end coil contact behaviour. The light-gap method is developed based on this requirement. The light-gap method, in contrast to the numerical procedures, is also suitable for production-related assessment of the end coil contact behaviour. Additionally, the light-gap method permits higher-quality FE reconciliation in the end coil area than reconciliation via the spring rate or by pressure-sensitive paper. Based on the fatigue tests results, the damage mechanism is broken down into high cycle contact fatigue with the fracture starting in the area close to the surface and very high cycle contact fatigue with the fracture starting below the surface. Supporting examinations on springs and wires indicate that causes contributing to end coil failures in high cycle contact fatigue are due to production- or wear-related primary damage. End coil failures in the area of very high cycles with a fracture starting below the surface indicate primary damage from contact fatigue crack formation. A procedure for design of the end coil geometry at very high cycles is developed based on spring fatigue tests and numeric calculations. The general design of the end coil geometry takes place via analysis of the contact angle depending on the torsion stress. The local evaluation is performed based on the finite element method and suitable damage parameters. The numeric recalculation of the fatigue tests shows that the local contact pressure range as well as the damage parameter according to Dang Van are suitable parameters to describe very high cycle contact fatigue. This work permits local evaluation of end coil breaks from contact fatigue in the very high cycle area.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Wirkzusammenhänge des Schadensmechanismus „Torsionsschwingbruch durch Kontaktermüdung“ zu untersuchen und Möglichkeiten zur Quantifizierung des Schadensmechanismus aufzuzeigen. Zu diesem Zweck werden Federvarianten mit unterschiedlichen Anlageverhalten gefertigt, charakterisiert und geprüft. Mit den bisher etablierten Methoden kann das Anlageverhalten nicht lokal und zugleich bei einer definierten Federkraft bewertet werden, was für die Fertigung von Versuchsfedern mit gezielt variierenden Anlageverhalten erforderlich ist. Vor diesem Hintergrund wird die Lichtspaltmethode entwickelt. Die Lichtspaltmethode eignet sich im Gegensatz zu numerischen Verfahren auch zur fertigungsnahen Beurteilung des Anlageverhaltens. Zusätzlich ermöglicht die Lichtspaltmethode einen höherwertigen FE-Abgleich im Endwindungsbereich, als ein Abgleich über die Federrate oder mittels druckempfindlichen Papiers. Aufgrund der Schwingfestigkeitsergebnisse wird eine Untergliederung des Schadensmechanismus hinsichtlich HCF-Kontaktermüdung mit Bruchausgang im Oberflächennahen Bereich und VHCF-Kontaktermüdung mit Bruchausgang unterhalb der Oberfläche vorgenommen. Begleitender Untersuchungen an Federn und Drähten zeigen, dass begünstigende Ursachen für Endwindungsbrüche mit der Ausprägung HCF-Kontaktermüdung sich auf eine fertigungs- bzw. verschleißbedingte Primärschädigung zurückführen lassen. Endwindungsbrüche im Bereich erhöhter Schwingspielzahlen mit einem Bruchausgang unterhalb der Oberfläche weisen auf eine Primärschädigung durch Kontaktermüdungsrissbildung hin. Auf Grundlage der Schwingfestigkeitsversuche an Schraubendruckfedern und numerischen Berechnungen wird eine Vorgehensweise zur Auslegung der Endwindungsgeometrie bei erhöhter Schwingspielzahl erarbeitet. Die Grobauslegung der Endwindungsgeometrie erfolgt über die Analyse des Kontaktwinkels in Abhängigkeit der Torsionsbeanspruchung. Die örtliche Bewertung erfolgt auf Basis der Finiten Elemente Methode und geeigneter Schadensparameter. Die numerische Nachrechnung der Schwingversuche zeigt, dass die lokale Kontaktdruckschwingweite als auch der Schadensparameter nach Dang Van geeignete Kenngrößen zur Beschreibung der VHCF-Kontaktermüdung darstellen. Durch diese Arbeit lassen sich Endwindungsbrüche durch Kontaktermüdung im VHCF-Bereich lokal bewerten.

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Mack, Benjamin: Untersuchungen zum Schadensmechanismus Torsionsschwingbruch durch Kontaktermüdung an Schraubendruckfedern. Ilmenau 2019.

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