A155

Ergänzende Schwingfestigkeitsuntersuchungen an einzelnen Tellerfedern und an Tellerfedersäulen beliebiger Schichtungen

(A155 S 24/36/00)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2000 bis 30. September 2002

Tellerfedern und Tellerfedersäulen finden ihre Anwendung im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau, wobei ihre Zuverlässigkeit nicht nur für die Funktion von Komponenten von maßgebender Bedeutung ist, sondern auch für die Sicherheit von Anlagen und Personen (z.B. Einsatz im Sicherungselement für Seilbahnen oder Aufzüge).

In vielen Anwendungen werden die Federn schwingend beansprucht, weshalb eine Kenntnis ihrer Schwingfestigkeitseigenschaften von großer Bedeutung ist. Die Lebensdauerwerte einzelner Tellerfedern sind in der Form von Zeit- und Dauerfestigkeitsschaubildern in DIN 2093 genormt. Diese Diagramme gelten ausschließlich für nicht kugelgestrahlte Federn aus Edelstählen, die nach den Vorschriften von DIN 17221 oder DIN 17222 hergestellt wurden. Die Zeit- und Dauerfestigkeitsschaubilder in DIN 2093 gelten für einzelne Federn und Federsäulen in wechselsinniger Schichtung mit bis zu zehn Elementen. Für Tellerfedern aus anderen Werkstoffen als in DIN 17221 oder DIN 17222 beschrieben sowie andere Schichtungen liegen bis heute keine hinreichenden Schwingfestigkeitswerte vor.

Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, in Ergänzung des Vorhabens AVIF A 115 das Ermüdungsverhalten der einzelnen Tellerfeder in Abhängigkeit von den wesentlichen Einflussgrößen – Werkstoff, Geometrie und Fertigung - zu untersuchen und dieses mit dem Verhalten von Tellerfedersäulen unterschiedlicher Schichtung zu vergleichen.

Die Untersuchung der Schwingfestigkeitseigenschaften der einzelnen Tellerfeder erfolgte in Form von Tellerfedersäulen der als Standard gewählten Schichtung 10x1. Diese Vorgehensweise wurde notwendig, weil die Prüfung der Einzelfeder aus Reibungsgründen nicht durchführbar war. Die genannte Schichtungsart 10x1 dient als Vergleichsbasis für die Ermüdungsversuche.
Untersucht wurden die Werkstoffe 51 CrV4 (1.8159), X10 CrNi 18 8 (1.4310), X7 CrNiAI 17 7 (1.4568) im Zustand zwischenstufenvergütet. Angewendet wurde überwiegend das Verfahren, fünf Tellerfedersäulen einer Variante bis zum Versagen des jeweils ersten Federelementes zu prüfen. Für diese Vorgehensweise wurde zur statistischen Auswertung das Verfahren nach der Sudden-Death-Methode herangezogen. In vielen Fällen konnte anschließend der begonnene Versuch an einer Säule bis zum Versagen von insgesamt fünf Elementen je Säule fortgesetzt werden.

Die Ergebnisse der Schwingversuche an Säulenschichtung 10x1 bestätigen eine Verwendung dieser Säule als Standard-Methode für die Prüfung des Verhaltens der „einzelnen Tellerfeder“. Diese Aussage gilt für alle untersuchten Geometrien, alle untersuchten Werkstoffe und Fertigungsvarianten. Sie wurde durch die Auswertung der Bruchpositionen innerhalb der Säule belegt. Die Untersuchungen an dieser Schichtung lieferten die meisten Ergebnisse, die als Basis benutzt wurden.

Bei einer Schwingprüfung von Tellerfedersäulen der Schichtung 10x1 erscheint eine allgemeine statistische Auswertung der Bruchereignisse als nicht ausreichend. Diverse Versuche mit fünfmaligem Ersetzen der gebrochenen Federn bei fünf geprüften Säulen haben bewiesen, dass das Sudden-Death-Verfahren eine zuverlässige statistische Methode ist, insbesondere die 90%-ige Überlebenswahrscheinlichkeit (10%-ige Ausfallwahrscheinlichkeit) für die Einzelfeder aus den Versuchen an der Säulenschichtung 10x1 zu bestimmen.
Die Lebensdauerwerte der Federn aus dem Vergütungsstahl 1.8159 weisen über alle Federabmessungen hinweg keinen signifikanten Einfluss der Zwischenstufenvergütung (45 HRC) und der konventionellen Vergütung auf. Bei oberflächenfehlerfreier Ausführung scheint eine höherfeste Zwischenstufenvergütung (55 HRC) einen Vorteil in der Lebensdauer zu bringen.

Grundsätzlich zeigen Tellerfedern aus dem Werkstoff 1.8159 in allen untersuchten Fällen eine Verbesserung der Lebensdauer durch das Kugelstrahlen. Die Lage der Bruchausgänge in Bezug zur höchstbeanspruchten Stelle zeigt, dass bei kugelgestrahlten Tellerfedern der Bruchausgang unmittelbar an dieser höchstbeanspruchten Stelle auftritt, während er bei nicht kugelgestrahlten Federn auch in einem größeren Abstand davon liegen kann. Dies ist auf die Wirkung von kleinen Oberflächenfehlern zurückzuführen.

Die Ermittlung der Schwingfestigkeitseigenschaften von Tellerfedersäulen mit unterschiedlichen Schichtungen bestätigt, dass die Schichtung 10x1 (Vergleichsmaß für das Verhalten der einzelnen Tellerfedern) als Standardschichtung verwendet werden kann. Die Schichtung 10x2 ist hiermit sehr gut vergleichbar. Der Unterschied hinsichtlich der Bruchpositionen zwischen den wechselsinnigen und den paketartigen Schichtungen bestand darin, dass bei den paketartigen Schichtungen sich die Bruchpositionen auf die Endfedern konzentrieren.

Bei den Untersuchungen an Tellerfedern aus rostfreien Stählen wies der Werkstoff 1.4568 etwas bessere Lebensdauerwerte auf als der Werkstoff 1.4310. Auch hier ist festzustellen, dass ein Kugelstrahlen die Lebensdauer für beide untersuchte Werkstoffvarianten erheblich verbessert. Allerdings sind gerade bei den Tellerfedern aus rostfreien Werkstoffen viele Fragen offen geblieben. Dies resultiert einerseits aus den durch die Herstellung gegebenen Fertigungshöhen und dabei gemessenen Kräften. Andererseits wirken sich unterschiedlich hohe Setzeigenspannungen und nach Stanzen, Drehen und Gleitschleifen jeweils unterschiedlich veränderte Kantenradien aus. Diese Kombination vieler Einflussgrößen macht es unmöglich, für die einzelne Feder eine genaue Analyse ihrer Beanspruchung vorzunehmen, so dass auch die Interpretation von einzelnen Lebensdauerwerten dadurch sehr erschwert wird.

Die zusätzlichen Erkenntnisse über die Schwingfestigkeitseigenschaften und ihre Einflussgrößen geben wichtige Hinweise für lebensdauerverlängernde Maßnahmen an Tellerfedern.

Forschungsstelle 1:
Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt (lfW)
www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Christina Berger
(vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahlumformung e.V., WSU, für den Verband der Deutschen Federnindustrie)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF