Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rechnerische Vorhersage der Freilaufgebrauchsdauer durch Kenntnis des Härtepro-fils und der Bauteilbetriebsspannung / Rollenfreilauf

Ziel dieses Vorhabens ist eine deutliche Erweiterung des bestehenden Verfahrens zur Lebensdauerprognose von Klemmrollenfreiläufen. Bei der Auslegung ist u.a. noch keine Berücksichtigung der Einhärtetiefe oder der Oberflächenrauheit möglich. Zudem ist bei Ausführungen mit Hartmetalleinlagen eine Lebensdauerprognose nicht durchführbar, da die Berechnungsgrundlagen fehlen.

Im Projekt wird daher die Werkstoffbeanspruchung abhängig von der Härte, der Einhärtetiefe, dem E-Modul und der Oberflächenbeschaffenheit der Freilauf-komponenten, welche sich durch die Werkstoffauswahl und die verwendeten Fertigungsverfahren ergeben, mittels Multiskalen-Simulationen bestimmt. Die Ergebnisse der Berechnungen werden mit den Ergebnissen umfangreicher experimenteller Untersuchungen korreliert.

Auf dieser Grundlage wird ein vereinfachtes Lebensdauermodell in Form einer Kennwertgleichung basierend auf dem etablierten Verfahren nach Lundberg und Palmgren abgeleitet. Diese Kennwertgleichung soll im Freilaufdimensionierungs-programm JFRED hinterlegt werden. Somit werden die Forschungsergebnisse der Industrie unmittelbar in der gewohnten Softwareumgebung zugänglich gemacht.

Durch eine Erweiterung des Verfahrens zur Prognose der Freilauflebensdauer können Überdimensionierungen und damit Fertigungs- und Materialkosten sowie Haftungskosten vermieden werden. Weiterhin können die Hersteller von Freiläufen mit diesem Verfahren durch eine angepasste Dimensionierung Frühausfälle von Freiläufen vermeiden. Die Technologie der Freilaufentwicklung und -auslegung liegt überwiegend in der Hand kleiner und mittlerer Unternehmen. Sie stellen die Hauptnutznießer der genannten Erkenntnisse dar, da derart umfassende Forschungsarbeiten nicht von den Einzelfirmen getragen werden können. Die Optimierung der Lebensdauerprognose führt demzufolge zu einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Freilaufhersteller.

Ergebniszusammenfassung:

Die Auslegung von Freiläufen unter dem Aspekt von Ermüdung erfolgt auf Grundlage der Theorie der Wälzermüdung nach Lundberg und Palmgren. In diesem Lebensdauermodell bleiben derzeit die Parameter Rauheit, Einhärtetiefe und E-Modul unberücksichtigt. Diese Vereinfachung steht im Widerspruch zu der Felderfahrung, dass die Materialeigenschaften und Oberflächentopographie einen Einfluss auf die Freilaufgebrauchsdauer zeigen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollte daher das bestehende Lebensdauermodell für Klemmrollenfreiläufe nach Lohrengel zur Berücksichtigung der oberflächennahen Materialparameter (Rauheit, Einhärtetiefe, E-Modul) erweitert werden. Das erweiterte Lebensdauermodell soll weiterhin die Dimensionierung von Klemmrollenfreiläufen mit Hartmetalleinlagen ermöglichen, welche derzeit nur auf Erfahrungsbasis erfolgt. Die Variation der Einhärtetiefe (0,3 mm bis 0,7 mm) hat keine Wirkung auf die erreichbare Lebensdauer gezeigt. Eine Erweiterung des Lebensdauermodells zur Berücksichtigung einer variierenden Einhärtetiefe ist unter dem Aspekt der Ermüdung nicht erforderlich. Allerdings beeinflusst die Einhärtetiefe die Muldenbildung infolge plastischer Verformung bei der ersten Abwälzbewegungen und somit das Schaltverhalten. Relevant für die Lebensdauer ist hingegen die Variation der Oberflächenrauheit. Die experimentellen Untersuchungen zeigten hier einen Trend hin zu höheren Lebensdauern für die ungeschliffenen Proben gegenüber den geschliffenen Proben. Eine mögliche Hypothese ist, dass sich gerade bei hohen Kontaktpressungen die Kontaktkörper durch eine plastische Verformung angleichen und damit die Kontaktspannungen für weitere Überrollvorgänge reduzieren. Der Einfluss des E-Moduls wurde anhand von Hartmetalleinlagen untersucht. Bei gleicher Freilaufgeometrie wird durch die veränderte Steifigkeit das Nennmoment halbiert. Die Verschleißresistenz des Hartmetalls konnte bestätigt werden. Diese Erkenntnisse werden in der zukünftigen Auslegung berücksichtigt.