Steigerung der Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern durch gezielt eingebrachte Druckeigenspannungen

Produktbeschreibung

Zusammenfassung

Reibungsreduzierung durch Leistungsverdichtung von Wälzlagern leistet einen aktiven Beitrag zur CO2 Reduzierung im Antriebsstrang von Fahrzeugen. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass gleichzeitig die Tragfähigkeit der Wälzlager reduziert wird. Aus diesem Grund ist für ein Downsizing die Steigerung der Ermüdungslebensdauer notwendig. Einen Ansatz zur Lebensdauersteigerung stellt die gezielte Einbringung von Druckeigenspannungen in die Randschicht von Wälzlagerkomponenten dar. Es werden Lebensdauerversuche unter dem Einfluss gezielt eingebrachter Druckeigenspannungen durch mechanische Verfestigungs- und Wärmebehandlungsverfahren vorgestellt. Es zeigen sich für alle Verfahren deutliche Lebensdauersteigerungen. Als ursächlich für die Lebensdauersteigerung werden die Kaltverfestigung und die unterschiedliche Gefügeausbildung und die damit verbundene Erhöhung der Beanspruchbarkeit angesehen. In rechnerischen Untersuchungen werden zwei exemplarische Vergleichsspannungshypothesen zur Beurteilung des Beanspruchungszustandes eingesetzt. Die Verwendung von Lebensdauermodellen ermöglicht letztendlich die Bestimmung der rechnerischen Lebensdauerveränderung in Form einer relativen Lebensdauersteigerung gegenüber dem Referenzzustand ohne gezielt eingebrachte Druckeigenspannungen. Der Eigenspannungs- bzw. Verfestigungseinfluss kann dabei auf unterschiedliche Arten berücksichtigt werden. Einerseits werden die Eigenspannungen als eine Komponente der Beanspruchung betrachtet. Andererseits ist auch die Berücksichtigung alleine in der Beanspruchbarkeit des Werkstoffs denkbar. Die Erkenntnisse der experimentellen und rechnerischen Untersuchungen führen zu Vorschlägen für die Berücksichtigung des Eigenspannungseinflusses und weiteren notwendigen Untersuchungen. Es wird schließlich bestätigt, dass eine Lebensdauersteigerung durch gezielt eingebrachte Druckeigenspannungen erreichbar ist.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung……………………………………………………………………………………………………….1
1.1 Effizienzsteigerung und Downsizing ……………………………………………………………………………. 1
1.2 Maßnahmen zur Lebensdauersteigerung ……………………………………………………………………… 2
1.3 Zielsetzung …………………………………………………………………………………………………………………. 3
2 Stand der Technik und Forschung …………………………………………………………………..6
2.1 Wälzlager……………………………………………………………………………………………………………………. 6
2.1.1 Bedeutung und Aufbau ………………………………………………………………………………….. 6
2.1.2 HERTZscher Kontakt ……………………………………………………………………………………. 7
2.1.3 Wälzkontakt …………………………………………………………………………………………………. 8
2.1.4 Wälzlagerschäden und Werkstoffermüdung ……………………………………………………. 9
2.1.5 Vergleichsspannungshypothesen zur Beanspruchungsbeurteilung ………………….. 11
2.1.5.1 Wechselschubspannung / Orthogonalschubspannung ……………………………………………. 12
2.1.5.2 Gestaltänderungsenergiehypothese / von Mises Spannung ……………………………………. 12
2.1.5.3 Hauptschubspannung / Tresca Spannung ……………………………………………………………….. 14
2.1.5.4 Hypothese nach Dang Van……………………………………………………………………………………… 15
2.1.5.5 Schubspannungsintensitätshypothese ……………………………………………………………………… 16
2.1.6 Klassische Ermüdung und Lebensdauerberechnung ………………………………………. 19
2.1.6.1 Fehlstellenmodell nach Weibull ……………………………………………………………………………… 20
2.1.6.2 Lebensdauermodell nach Lundberg & Palmgren …………………………………………………… 21
2.1.6.3 Lebensdauermodell nach Ioannides & Harris …………………………………………………………. 22
2.1.6.4 Verallgemeinerte Lebensdauerformel …………………………………………………………………….. 23
2.1.6.5 Lebensdauermodell nach Zaretsky …………………………………………………………………………. 24
2.1.6.6 Genormte Lebensdauerberechnung nach DIN ISO 281:2007 ……………………………….. 25
2.1.7 Ermüdungsversuche und experimentell bestimmte Lebensdauer ……………………. 26
2.2 Druckeigenspannungen im Wälzkontakt …………………………………………………………………… 32
2.2.1 Eigenspannungen ………………………………………………………………………………………… 32
2.2.2 Einfluss von Eigenspannungen auf die Lebensdauer ……………………………………… 34
2.2.2.1 Experimentelle Untersuchungen …………………………………………………………………………….. 34
2.2.2.2 Rechnerische Untersuchungen ……………………………………………………………………………….. 40
3 Lebensdauereinfluss gezielt eingebrachter Druckeigenspannungen ………………. 47
3.1 Experimentelle Untersuchungen ……………………………………………………………………………….. 47
3.1.1 Versuchsaufbau und Durchführung ………………………………………………………………. 47

3.1.2 Herstellung der Prüflinge ……………………………………………………………………………… 52
3.1.2.1 Kugelstrahlen …………………………………………………………………………………………………………. 56
3.1.2.2 Festwalzen ……………………………………………………………………………………………………………… 62
3.1.2.3 Induktive Randschichthärtung ……………………………………………………………………………….. 65
3.1.3 Versuchsergebnisse ……………………………………………………………………………………… 68
3.1.3.1 Schadensanalyse …………………………………………………………………………………………………….. 68
3.1.3.2 Ermüdungslebensdauer ………………………………………………………………………………………….. 73
3.1.3.3 Gebrauchsdauer ……………………………………………………………………………………………………… 77
3.1.3.4 Eigenspannung und Röntgenlinienhalbwertsbreite ………………………………………………… 79
3.1.3.5 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse …………………………………………………………… 85
3.2 Rechnerische Untersuchung ………………………………………………………………………………………. 87
3.2.1 Gestaltänderungsenergiehypothese / von Mises Spannung……………………………… 90
3.2.2 Variante der Schubspannungsintensitätshypothese ………………………………………… 92
3.2.3 Lebensdauermodelle ……………………………………………………………………………………. 93
3.2.4 Berücksichtigung auf Beanspruchungsseite …………………………………………………… 94
3.2.5 Berücksichtigung auf Beanspruchbarkeitsseite …………………………………………….. 103
4 Diskussion …………………………………………………………………………………………………… 111
4.1 Veränderung der Eigenspannungen bei Wälzbeanspruchung …………………………………… 111
4.2 Abhängigkeit von Werkstoffkennwerten …………………………………………………………………. 112
4.3 Tiefengewichtung im Lebensdauermodell ……………………………………………………………….. 114
4.4 Risseinleitung und Risswachstum ……………………………………………………………………………. 116
4.5 Einfluss der Belastung und des beanspruchten Volumens ………………………………………… 117
4.6 Einfluss von Gefügeunterschieden und Verfestigung ……………………………………………….. 118
4.7 Röntgenlinienhalbwertsbreite als Charakterisierungsmerkmal …………………………………. 119
5 Zusammenfassung der Ergebnisse und Erkenntnisse …………………………………… 121
6 Ableitung von weiterem Forschungsbedarf …………………………………………………. 124
7 Potentialabschätzung an einem Anwendungsbeispiel …………………………………… 125
8 Fazit und Ausblick ……………………………………………………………………………………… 129
9 Literatur …………………………………………………………………………………………………….. 131

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