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Einflüsse der Reibdauerbeanspruchung auf die Tragfähigkeit von P4C-Welle-Nabe-Verbindungen
Winterfeld, Jens
Die sichere Auslegung eines Bauteils setzt die Kenntnis über Versagensmechanismus und Tragfähigkeitskennwerte voraus. Bis dato existierten für P4C-Welle-Nabe-Verbindungen nur unzureichende Erkenntnisse über das Verhalten dieser Verbindung unter Dauerschwingbelastung. Diese Unsicherheit bei der Auslegung der Verbindung verstärkt sich für den Konstrukteur durch die zu erwartende Schädigung infolge von Reibkorrosionsprozessen. Ein allgemeingültiges Konzept für die Auslegung gegen Reibdauerbruch existiert noch nicht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse umfassender experimenteller Untersuchungen an P4C-Welle-Nabe-Verbindungen unter Dauerschwingbelastung dargestellt. Hierbei werden die Einflüsse verschiedener geometrischer, werkstoff- und fertigungstechnischer, belastungsabhängiger, technologischer sowie tribologischer Parameter auf die Reibdauerbeanspruchung analysiert und deren Wirkung auf die Tragfähigkeit anhand von Reibkerbwirkungszahlen quantifiziert. Die Auswahl der Parameter erfolgte nach versuchs- und praxisrelevanten Gesichtspunkten. Umfangreiche Verschleiß- und Rißanalysen bilden die Grundlage zur Darstellung der wirkenden Schädigungsmechanismen. Die Untersuchungsergebnisse zeigen den großen Einfluß der Reibdauerbeanspruchung auf die Tragfähigkeit. Alle P4C-Welle-Nabe-Verbindungen versagten ursächlich durch Schädigungen in der Kontaktzone infolge von Reibkorrosionsprozessen. Die Bruchlastspielzahlen lagen teilweise oberhalb von 25 Millionen und somit deutlich über der klassischen Dauerfestigkeitsgrenze. Die Wirkung der einzelnen Parameter spiegelt sich in den ermittelten Reibkerbwirkungszahlen wider, die bei gleichem Profildurchmesser und jeweils gleicher Belastungsart stark unterschiedliche Werte annahmen. Ein Vergleich der experimentellen mit numerisch analytischen Ergebnissen zeigt eine gute Übereinstimmung der experimentell ermittelten Anrißorte mit den berechneten rißkritschen Orten nach dem Ruiz-Chen-Kriterium, das ein Zusammenwirken von Zugspannungen, Reibschubspannungen und Schlupf als Rißursache annimmt. Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse werden konstruktive Hinweise zur Auslegung und Gestaltung der P4C-Welle-Nabe-Verbindungen unter Dauerschwingbelastung abgeleitet. Unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Reibdauerbeanspruchung stellen die P4C-Welle-Nabe-Verbindungen eine sehr gute Alternative zu anderen formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen mit axialer Verschiebbarkeit dar.
