Entwicklung einer allgemeingültigen Berechnungsmethode zur Bestimmung der lokalen Wälzfestigkeit einsatzgehärteter Bauteile
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war es, die Berechnung der Ermüdungstragfähigkeit im allgemeinen Wälzkontakt durch gesicherte Methoden zu ermöglichen. Die Originalität des Vorhabens stellt die Kopplung einer lokalen Anstrengungsberechnung mit einem Modellansatz zur Konsolidierung aller Einzelbeanspruchungen in einen bauteilbeschreibenden Kennwert dar, der insbesondere die Berücksichtigung des Größeneinflusses erlauben soll. Durch die Entwicklung einer numerischen Berechnungsmethode und Anbindung des erweiterten Fehlstellenmodells wurde dieses Ziel erreicht. Darüber hinaus wurde eine Methode zur effizienten Kontaktberechnung realer Oberflächentopografien des vollständigen Kontaktbereichs entwickelt. Zur Bestimmung der Beanspruchung im Wälzkontakt wurde ein empirisch-analytischer Reibwertansatz ermittelt, der insbesondere den Schlupfeinfluss auf die Reibung berücksichtigt. Die Verfügbarkeit eines solchen Ansatzes ist insbesondere für einen Transfer der Methode auf andere Wälzkontakte mit veränderlichem Schlupf, wie z. B.. Zahnradflanken, von Bedeutung, da der Schlupf den Reibwert maßgeblich beeinflusst. Die Berechnung der Spannungen erfolgt getrennt für eine Analyse der Volumenspannungen unter Annahme eines ideal-glatten Kontakts sowie für die Analyse der Oberflächenspannungen unter Berücksichtigung des Kontakts gemessener Oberflächentopografien. Für das Volumenspannungsmodell wird infolge der höheren Berechnungsgenauigkeit durch die Verwendung von SD-Elementen die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt. Es werden die Normal, Tangential- und Temperaturspannungen ermittelt. Der Einfluss veränderter Kontaktabstände, z. B. durch Laufbahnverschleiß, wird durch die Vorgabe von Splines im FEM-Modell berücksichtigt. Für die Abbildung großer Oberflächenrealtopografien In FEM reicht die üblicherweise verfügbare Rechenleistung nicht aus. Daher wurde für die Kontaktsimulation technischer Oberflächen die 2D-Halbraumtheorie herangezogen. Trotz des vereinfachten Berechnungsansatzes ist die Abbildung des vollständigen Kontakts aktuell limitiert. Gegenüber bestehenden Methoden zur Kontaktberechnung ist mit der „Methode kombinierter Lösungen" eine Vorgehenswelse entwickelt worden, die eine effiziente Kontaktberechnung umfangreicher Oberflächenausschnitte erlaubt. Auf Grundlage der Mikropressungsfelder erfolgte ebenfalls eine Bestimmung der resultierenden Spannungsfelder im oberflächennahen Randbereich. Zur Berechnung der Wälzfestigkeit wird anschließend eine lokale Berechnungsmethode auf Basis der Spannungstensoren entwickelt. Die Methode basiert auf dem Fehlstellenmodell nach Weibull und benötigt neben den berechneten Spannungsverläufen den Härte- und den Eigenspannungstiefenverlauf als Eingangsgrößen. Mit diesen Parametern wird die lokale Berechnung der Ermüdungstragfähigkeit im allgemeinen Wälzkontakt ermöglicht. Im Gegensatz zu vergleichbaren Methoden für die lokale Wälzfestigkeitsberechnung erfolgt durch die Zusammenführung aller lokalen Elnzelüberlebenswahrscheinlichkeit die Tragfähigkeitsbeschreibung anhand eines Kennwerts. Damit erlaubt der Ansatz die Berücksichtigung des statistischen Größeneinflusses. Durch die Validierung anhand von Wälzfestigkelts- und Reibkraftuntersuchungen auf einem Zwei-Scheiben-Prüfstand konnte gezeigt werden, dass die entwickelten Methoden in der Lage sind, die Ermüdungstragfähigkeit im allgemeinen Wälzkontakt vorherzusagen. Der Vergleich der Lage lokal geringer Überlebenswahrscheinlichkeiten zur Oberfläche bzw. zum Volumen steht in Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen. Die übergeordnete Forschungsfrage, ob sich die Größenabhängigkeit der Wälzfestigkeit bei zahnradtypischen Beanspruchungen durch Trennung von Volumen- und Oberflächenbeanspruchungen Im erweiterten Fehlstellenmodell beschreiben lässt, ist somit beantwortet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Lokale spannungsmechanische Beschreibung grübchenkritischer Zahnflankenbeanspruchungen, In: DMK 2011 - Dresdner Maschinenelemente Kolloquium, 29. und 30. November 2011, 2011
Brecher, C.; Brumm, M., Löpenhaus, C.
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Local Concepts for Efficiency and Pitting Strength of Cylindrical Gears. In: 4th WZL Gear Conference in the USA, Schaumburg, lllinios, 2012
Brecher, C.; Brumm, M., Löpenhaus, C.
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Local Approach for FE-based Calculation of Pitting Strength based on the Weakest Link Model. In: International Conference on Gears, 17.-09.10.2013, München/Garching
Brecher, C.; Brumm, M., Löpenhaus, C.
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Improvements in Manufacturing Related Surface Strength Increase and Rolling Contact Fatigue Simulation. In: 5th WZL Gear Conference in the USA, Rochester, New York, 2014
Brecher, C.; Brumm, M., Löpenhaus, C.
