Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Methodik für die Steigerung der Torsionsfestigkeit von Antriebswellen mit Querborhung

Wellen des Antriebsstrangs haben häufig Querbohrungen zur Ölversorgung der Lager. Unter zyklischer Torsionsbelastung sind diese Bohrungen versagenskritisch. Zur Steigerung der Schwingfestigkeit bieten sich mechanische Oberflächenbehandlungen der Bohrung an.

Im Rahmen dieses Vorhabens soll das Potential zweier solcher mechanischer Oberflächenbehandlungsverfahren (Innenfestwalzen und Mikrostrahlen) im Hinblick auf die mögliche Schwingfestigkeitssteigerung aufgezeigt werden. Weiterhin soll eine Berechnungsmethode zur Schwingfestigkeitsbewertung von Wellen mit oberflächenbehandelten Querbohrungen entwickelt werden.

Zur Erreichung des Forschungsziels werden Schwingfestigkeitsversuche an unbehandelten und an mit verschiedenen Parametern behandelten Proben aus den Werkstoffen GJS 700 und C38mod durchgeführt. Anschließend werden Berechnungsverfahren zur Ermittlung der prozessinduzierten Eigenspannungszustände entwickelt bzw. vorhandene Verfahren weiterentwickelt. Auf Basis der damit berechneten Eigenspannungszustände wird eine rechnerische Methode zur Bewertung der Schwingfestigkeit abgeleitet und anhand der Versuchsergebnisse verifiziert.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens führen zu einem besseren Verständnis der festigkeitsrelevanten Einflussgrößen bei Wellen mit oberflächenbehandelten Querbohrungen. Es wird eine ausführlich beschriebene, direkt umsetzbare, rechnerische Methode mit allen notwendigen Kennwerten zur Schwingfestigkeitsbewertung solcher Bauteile vorliegen.

Anhand dieser Ergebnisse können KMU schon im frühen Entwicklungsstadium belastbare Aussagen über die Schwingfestigkeit von Konstruktionsvarianten und den Einfluss unterschiedlicher Verfestigungsverfahren sowie Verfahrensparameter treffen. KMU können ihre Bauteile somit deutlich gewichts- und somit auch materialeffizienter konstruieren.

Ergebniszusammenfassung:

1) Umlagerung

Durch die Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass es zu einer Umlagerung der eingebrachten Eigenspannungen, infolge von zyklischen Beanspruchung kommen kann. Bei dem Stahlwerkstoff kam es zu einer nahezu vollständigen Umlagerung der Eigenspannungen, was dazu führte, dass die Nachtbearbeitungsverfahren einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schwingfestigkeit hatten.

Dieses Wissen ist essentiell in der Auslegung von Wellen mit mechanisch nachbearbeiteten Querbohrungen, beschränkt sich in seiner Anwendbarkeit aber nicht ausschließlich auf diese.

2) Detektion des Anrisses

Innerhalb des Projektes wurde auf Grundlage optischer, Steifigkeits- und Körperschallmessungen die Detektion von Anrissen durchgeführt. Dabei zeigte der optische Ansatz sowie die Kombination von Methoden des maschinellen Lernens mit den Steifigkeits- und Körperschalldaten Potenzial. Die Erkenntnisse sind allgemein übertragbar auf Oberflächenrisse.

3) Simulation von Kugelstrahlen und Festwalzen

Die in dem Projekt dargestellten Möglichkeiten zur Simulation des Kugelstrahl- und Festwalzprozesses können direkt angewendet werden. Die Anwendbarkeit ist allgemein gegeben.

4) Festigkeitsnachweis unter Berücksichtigung von Umlagerungen

Im Rahmen des Projekts wurde ein Festigkeitsnachweis aus der FKM-Richtlinie aufgegriffen und um die Anwendbarkeit auf Eisenguss erweitert. Es wurde gezeigt, wie die Simulationsergebnisse direkt in den Festigkeitsnachweis einfließen und die Schätzung der Schwingfestigkeit verbessern können.

Dadurch werden Anwender in die Lage versetzt Umlagerungen von Eigenspannungen gezielt zu berücksichtigen und simulierte oder gemessene Eigenspannungsverläufe im Allgemeinen in den Festigkeitsnachweis einfließen zu lassen. Dies bietet dem Anwender neue Möglichkeiten in der Auslegung von mechanisch nachbehandelten Bauteilen und trägt dazu bei einen digitalen Zwilling des Bauteils über seine gesamte Lebensdauer inkl. der Fertigung zu erstellen.