Geilen, Max Benedikt (2023)
Zum Verhalten eigenspannungsbehafteter, biegebeanspruchter Federelemente unter einmaliger und zyklischer Belastung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023135
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Funktion eines Federelements ist das Aufbringen vorgegebener Federkräfte bei vorgegebenen Federwegen oder -winkeln. Wenn es diese Funktion nicht (mehr) erfüllt, können erhebliche Folgeschäden inklusive Personenschäden entstehen. Um das Ausschöpfen von Leichtbaupotential ohne erhöhtes Risiko erheblicher Folgeschäden zu ermöglichen, wird im Rahmen dieser Arbeit das Verhalten eigenspannungsbehafteter, biegebeanspruchter Federelemente unter einmaliger und zyklischer Belastung am Beispiel der Tellerfeder untersucht.

Aufgrund der jeweils geometrisch nichtlinearen, überlagerten Biege- und Verschiebungsbeanspruchung sind die Kennlinien von Tellerfedern nichtlinear. Infolge dieser Nichtlinearität hängt das Verformungsverhalten der Tellerfeder im elastischen Bereich entgegen dem bisherigen Stand der Technik nicht nur vom Elastizitätsmodul und der Geometrie ab, sondern auch von der Verteilung der Eigenspannungen: Nachdem die vorgesetzte Feder über den Gleichgewichtszustand hinaus elastisch verformt wird, nimmt die Steifigkeit der Feder ab (Nichtlinearität der Kennlinie). Durch die reduzierte Steifigkeit verursachen die Eigenspannungen eine zusätzliche Verformung. So verformt sich eine vorgesetzte Tellerfeder unter einer gegebenen Federkraft stärker als eine geometrie- und elastizitätsmodulgleiche, aber nicht vorgesetzte Tellerfeder.

Nach bisherigem Stand der Forschung wird der Rissausgang bei Tellerfedern dort erwartet, wo die analytisch berechnete Referenzspannung am größten ist. Er wird aber vielmals an anderen Positionen beobachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass bei den hier untersuchten Federn zwei Populationen mit unterschiedlichen Versagensmechanismen auftreten:

In der ersten Population initiieren Primärrisse in der Nähe des nach der klassischen Referenzspannung erwarteten Rissausgangsorts. Hier versagen die Federn durch klassische Ermüdungsmechanismen und die Abweichungen der Rissausgänge von den rechnerisch höchstbeanspruchten Stellen sind auf den statistischen Größeneinfluss, die Möglichkeit der Interaktion mehrerer Risse, die Tiefenverläufe der Eigenspannungen und der Lastspannungen sowie den langsameren Abbau des tragenden Restquerschnitts bei Rissen, die Kanten einschließen, zurückzuführen.

Die zweite Population versagt ausgehend vom Kontaktbereich zwischen Auflage und Unterseite der Tellerfeder. Die Risse gehen von Ausbrüchen aus, die infolge von Kontaktermüdung entstehen. Die zweite Population tritt nur bei relativ niedrigen Mittellasten auf.

Bisher wird die analytisch berechnete Referenzspannung auch als Beanspruchungsmaß in quantitativen Modellen eingesetzt. Die Beschreibung der Federn einer Charge bei verschiedenen Umkehrlasten führt dabei zu einer Streuung, die die statistische Streuung des Werkstoffs deutlich übersteigt. Die Betrachtung mehrerer Chargen, die sich in ihrer Geometrie oder dem Fertigungsprozess unterscheiden, erhöht diese Streuung noch einmal erheblich.

Im Rahmen dieser Arbeit werden neue Modelle entwickelt und das am besten geeignete Modell ausgewählt. Im ausgewählten Modell sind die Streuspannen deutlich reduziert. Die Übertragbarkeit zwischen Chargen aus unterschiedlichen Fertigungsprozessen (kugelgestrahlt - nicht kugelgestrahlt; vorgesetzt - nicht vorgesetzt; gedreht - feingeschnitten; verwendetes Halbzeug; Wärmebehandlung) und mit unterschiedlichen Geometrien (Kantenradien; Zusammenhang zwischen Innendurchmesser, Außendurchmesser, Dicke und Federhöhe; Größe) sowie auf andere Belastungen (größere Umkehrkräfte; unterschiedliche Kraftverhältnisse) ist deutlich erhöht.

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