DE19500078A1 - Method of reducing relative ultimate moment at predetermined braking points - Google Patents
Method of reducing relative ultimate moment at predetermined braking pointsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wenigstens örtlichen Verringerung des relativen Bruchmomentes (Bruchmoment bezogen auf die Dauerfestigkeit) im Bereich von Sollbruchstellen von Bauteilen.The invention relates to a method for at least local reduction of the relative breaking moment (Breaking moment related to the fatigue strength) in the range of predetermined breaking points of components.
Es ist allgemein bekannt, daß beispielsweise in Antriebssträngen, bei denen das von einer Antriebsmaschine erzeugte Drehmoment über Wellenstränge übertragen wird, infolge von Störungen auf der anzutreibenden Maschinenseite, bei denen eine Drehmomentenübertragung vom An- zum Abtrieb nicht mehr gegeben ist, bei weiterem Betrieb der Antriebsquelle eine Verformung im Antriebsstrang infolge Torsion auftreten und bis zum Torsionsbruch führen kann. Dieser tritt dann in der Regel an vorher nicht genau lokalisierbaren Stellen auf. Zur Vermeidung und zum Schutz gegen Überlastung und zur Schonung benachbarter Bauteile, Gehäuse, Lager, Passungssitze und sonstiger Verschraubungen werden deshalb Vorkehrungen getroffen, die es ermöglichen, für den Fall der Drehmomentenüberlastung im Antriebsstrang eine Drehmomentenübertragungsunterbrechung lokal zwischen An- und Abtrieb zu realisieren. Dies kannIt is well known that, for example, in Powertrains where that of a prime mover generated torque is transmitted via shaft strands, as a result of disturbances on the driven Machine side, where a torque transmission from At the output is no longer given, further Operation of the drive source deformation in the Drivetrain as a result of torsion occur and until Torsion break can lead. This usually occurs at previously not exactly locatable places. to Avoidance and protection against overloading and Protection of neighboring components, housings, bearings, Passungssitze and other glands are therefore Made arrangements that make it possible in the event the torque overload in the drive train one Torque transfer interruption locally between and to realize downforce. This can
- 1) durch mechanische Kupplungen, beispielsweise Rutschkupplungen, Brechbolzen- oder Brechringkupplungen;1) by mechanical couplings, for example Slip clutches, Brechbolzen- or Break ring couplings;
- 2) durch hydraulische Lösungen, beispielsweise eine hydraulisch verspannbare Welle-Nabe-Verbindung;2) by hydraulic solutions, such as a hydraulically clamped shaft-hub connection;
- 3) Klebeverbindungen;3) adhesive joints;
- 4) Kupplungen mit Elastomeren oder Kunststoffeinlagen oder4) Couplings with elastomers or plastic inserts or
- 5) durch das Vorsehen einer Sollbruchstelle realisiert werden.5) realized by the provision of a predetermined breaking point become.
Ein Beispiel für eine mechanisch-hydraulische Lösung ist die Integration einer Sicherheitskupplung, wie beispielsweise bekannt aus der DE-OS 29 23 902, im Antriebsstrang, welche die drehmomentführenden Teile in Form einer Welle-Nabe-Verbindung hydraulisch gegeneinander verspannt, und im Überlastfall durch mechanische Mittel gelöst wird. Das Vorsehen zusätzlicher Mechanismen zur Drehmomentenunterbrechung in Form von Sicherheitskupplungen zeichnet sich jedoch durch einen erhöhten konstruktiven Aufwand aus, da die einzelnen Maschinenelemente im Antriebsstrang hinsichtlich der Einbaubedingungen auf eine derartige Kupplung abgestimmt werden müssen.An example of a mechanical-hydraulic solution is the integration of a safety clutch, such as For example, known from DE-OS 29 23 902, im Drive train, which the torque-carrying parts in Shape of a shaft-hub connection hydraulically against each other braced, and in case of overload by mechanical means is solved. The provision of additional mechanisms for Torque interruption in the form of safety couplings However, it is characterized by an increased constructive Effort, since the individual machine elements in the Drive train with regard to the installation conditions on a Such a coupling must be tuned.
Eine einfachere Möglichkeit besteht deshalb im Vorsehen einer Sollbruchstelle. Die Aufgabe einer Sollbruchstelle besteht dabei im wesentlichen darin, die Lage eines möglichen Bruches im Antriebsstrang von vornherein örtlich festlegen zu können. Dadurch wird es möglich, die bei Überbeanspruchung auftretenden Schäden in Form von Brüchen derart zu lokalisieren, daß der Aufwand für eventuell nachfolgende erforderliche Aus- bzw. Umbauarbeiten möglichst gering gehalten werden kann.A simpler possibility therefore exists in the provision a predetermined breaking point. The task of a predetermined breaking point consists essentially of the location of a possible breakage in the drive train from the outset locally to be able to determine. This will make it possible at the Overstress occurring damage in the form of fractures be located so that the cost of possibly subsequent required removal or conversion work can be kept as low as possible.
Sollbruchstellen können in Form von Kerben in den verschiedensten Ausführungen, beispielsweise Ausschnitten, Einschnitten (Rillen, Nuten, Bohrungen o. ä.) realisiert werden, d. h. örtlichen Querschnittsverringerungen. Die Kerben können sich dabei in Einzel- und Mehrfachkerben unterteilen, wobei sich die letzteren aus Einzelkerben in Reihen- oder Parallelanordnung zusammensetzen. Im allgemeinen sind unter Kerben Stellen zu verstehen, an denen schroffe Querschnitts- und Richtungsänderungen oder unvermittelte Werkstoffanhäufungen und -abtragungen vorliegen, oder Orte, an denen sich die elastischen Eigenschaften eines Werkstoffs unvermittelt ändern. Die Kerbwirkung, d. h. der Einfluß einer Kerbe auf das Spannungsfeld und damit auf den Verformungswiderstand und die Festigkeit, ist sowohl form- als auch werkstoffbedingt. Der Ort der Maximalspannungen im Kerbenbereich ist dabei der Kerbengrund.Predetermined breaking points can be in the form of notches in the various designs, for example cutouts, Notches (grooves, grooves, holes o. Ä.) Realized be, d. H. local cross-sectional reductions. The Notches can be in single and multiple notches subdivide, the latter consisting of individual notches in Assemble series or parallel arrangement. in the In general, under scores are to be understood as sites which rugged cross-sectional and direction changes or Immediate material accumulation and erosion present, or places where the elastic Change the properties of a material abruptly. The Notch effect, d. H. the influence of a notch on that Stress field and thus on the deformation resistance and the strength, is both form and material-related. The location of the maximum stresses in the notch area is included the notch reason.
Bei Bauteilen mit Sollbruchstellen unterscheiden sich im Bereich dieser die Grenzwerte für die einzelnen Festigkeitsbereiche von denen außerhalb der Sollbruchstelle. Die Grenzwerte für die einzelnen Festigkeitsbereiche sind im Bereich der Sollbruchstelle niedriger.For components with predetermined breaking points differ in Range of these the limits for the individual Strengths of which outside the Breaking point. The limits for the individual Strength ranges are in the area of the predetermined breaking point lower.
Allgemein gilt, im Bereich der Dauerfestigkeit lösen dynamische Spannungen unterhalb der Dauerfestigkeitsgrenze keine nachweisbaren Schädigungen aus.Generally, solve in the area of fatigue strength dynamic stresses below the fatigue limit no detectable damage.
Im Bereich der statischen Festigkeit bewirken Spannungen, die über die Streck- bzw. Fließgrenze hinausgehen, plastische Verformungen. Spannungen oberhalb der Bruchgrenze haben einen Gewaltbruch zur Folge. Die beiden genannten Schädigungen führen sofort zum Ausfall. Im Bereich zwischen statischer Festigkeit und Dauerfestigkeit, d. h. beim Auftreten dynamischer Spannungen, die kleiner als die Grenzwerte für die statische Festigkeit sind, jedoch über denen der Dauerfestigkeit liegen, sind nach einer bestimmten Anzahl von Lastspielen (Einsatzzeit) Schwingbrüche zu registrieren. Diese durch Ermüdung ausgelösten Brüche haben ihre Ursache in Werkstoffinhomogenitäten und örtlichen Spannungskonzentrationen an der Oberfläche. Für diesen Bereich ist die Kurzlebigkeit kennzeichnend. Die Grenzwerte für den Bereich der Dauerfestigkeit sowie der statischen Festigkeit im Bereich der Sollbruchstellen liegen dabei in der Regel wesentlich niedriger als in ungekerbten Bereichen.In the area of static strength, stresses, which go beyond the yield point, plastic deformations. Voltages above the Breakage limit results in a break of force. The two mentioned damage immediately lead to failure. In the area between static strength and Fatigue strength, d. H. when dynamic Voltages smaller than the limits for the static strength, but above those of Fatigue resistance are after a certain number of load cycles (deployment time) swing breaks too to register. These fractures caused by fatigue have their cause in material inhomogeneities and local Stress concentrations at the surface. For this Area is characteristic of the short-lived. The limits for fatigue and static Strength in the region of the predetermined breaking points lie in usually much lower than in unginned Areas.
Die Sollbruchstelle, d. h. die örtliche Querschnittsverringerung, ist beispielsweise bei Torsionsbeanspruchung für ein bestimmtes Torsionsmoment dauerfest dimensioniert. Daraus ergibt sich im allgemeinen eine statische Belastbarkeit von mindestens dem 4-fachen des dynamischen Lastmomentes. Für eine Vielzahl der Anwendungsfälle, insbesondere in Antriebssträngen von Fahrzeugen, ist dieses Bruchverhältnis jedoch in keiner Weise akzeptabel, weil Teile des Antriebssystems trotzdem noch geschädigt werden können. Es wurden deshalb in der Vergangenheit eine Reihe von Anstrengungen in verschiedenen Richtungen unternommen, um auch die Grenzwerte im Bereich dieser Sollbruchstelle zu beeinflussen, beispielsweise durch Optimierung der Werkstoffe. Mit derartigen Maßnahmen konnte bis dato jedoch der erwünschte Erfolg nicht eingestellt werden, zumal derartigen Verfahren vor allem aus ökonomischer Sicht Grenzen gesteckt sind.The breaking point, d. H. the local Cross-sectional reduction, is for example at Torsional stress for a given torsional moment permanently dimensioned. This generally results a static load capacity of at least 4 times the dynamic load torque. For a variety of Use cases, especially in powertrains of Vehicles, however, this fraction ratio is in no one Way acceptable, because parts of the drive system anyway can still be harmed. It was therefore in the Past a series of efforts in different Directions also made to the limits in the area to influence this breaking point, for example through optimization of the materials. With such measures However, to date, the desired success could not be adjusted, especially since such procedures especially From an economic point of view, there are limits.
Die bisherigen Entwicklungen zur Realisierung eines Überlastsicherungsschutzes gegenüber Drehmomentenüberlastung zeichnen sich entweder durch einen sehr hohen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand aus, wie beispielsweise beim Einsatz von mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Lösungen, oder aber diese zeichnen sich trotz Materialoptimierung und Behandlung durch sehr unbefriedigende Ergebnisse hinsichtlich der Werkstoffkennwerte für die Werkstoffe der Maschinenteile, in denen eine Sollbruchstelle integriert werden soll, aus. Beim Einsatz von Überlastsicherungskupplungen, insbesondere bei mechanischen Lösungen, wie beispielsweise beim Einsatz einer Brechbolzenkupplung, können die Werte für die maximal ertragbare Spannung im Dauerfestigkeitsbereich aufgrund auftretenden den Passungsrostes, der zur Werkstoffermüdung führt und den Dauerfestigkeitsbereich somit zu geringeren Werten verschiebt, sehr streuen.The recent developments for the realization of a Overload protection against Torque overload is characterized either by a very high design and manufacturing effort such as when using mechanical, hydraulic or pneumatic solutions, or these stand out despite material optimization and treatment by very unsatisfactory results in terms of Material characteristics for the materials of the machine parts, in which a predetermined breaking point is to be integrated. When using overload safety clutches, in particular in mechanical solutions, such as during use a break bolt coupling, the values for the maximum tolerable stress in the fatigue strength range due occurring the fit grid, the material fatigue leads and the fatigue range thus lower Values shifts, very scatter.
Um, wie allgemein im Maschinenbau, an stark auf Biegung beanspruchten Stellen die Widerstandsfähigkeit bei dynamischer Belastung gegen Bruch, d. h. die Dauerfestigkeit zu steigern, stehen die nachfolgend ohne Wertung genannten Verfahren zur Verfügung:To, as generally in mechanical engineering, strongly on bending claimed sites the resistance dynamic load against breakage, d. H. the fatigue strength increase, are the below without rating mentioned Procedure available:
-
1.) thermochemisch:
Einsatzhärten
Nitrieren1.) thermochemical:
Case hardening
nitriding -
2.) thermisch:
Flammhärten
Induktionshärten
Laserhärten2.) thermally:
flame hardening
induction hardening
laser hardening
Allen Behandlungsmethoden gemeinsam ist die Erzeugung von Druckspannungen in den kritischen Bereichen. Die genannten Verfahren nehmen jedoch bei der Dauerfestigkeitssteigerung kleinerer Bauteile mehr oder weniger ihren festen Platz ein, wobei die Wirtschaftlichkeit und die Beherrschung der Betriebsparameter das Ausmaß der Anwendung bestimmen. Bei größeren Bauteilen sind diese Grenzen entweder bereits überschritten oder die erzielte Dauerfestigkeitssteigerung steht in keinem Verhältnis zum Aufwand, wie z. B. beim Nitrieren.Common to all treatment methods is the generation of Compressive stresses in the critical areas. The mentioned However, procedures are increasing in fatigue strength smaller components more or less their fixed place one, whereby the economy and the mastery of the Operating parameters determine the extent of application. at larger components, these limits are either already exceeded or the achieved fatigue increase is out of proportion to the effort, such. For example Nitriding.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei Torsionsbeanspruchung das relative Bruchmoment, d. h. das statische Bruchmoment im Verhältnis zum Bruchmoment im Dauerfestigkeitsbereich zu verringern. Der Bereich für das Auftreten von dynamischen Spannungen, die kleiner als die im Bereich der statischen Festigkeit sind, jedoch über den maximal Ertragbaren im Dauerfestigkeitsbereich liegen, soll dabei prozentual verringert werden, d. h. der Dauerfestigkeitsbereich soll zuungunsten des Zeitfestigkeitsbereiches zum statischen Festigkeitsbereich verschoben werden.The invention is therefore based on the object especially in torsional stress the relative Breaking moment, d. H. the static breaking moment in proportion to reduce the breaking moment in the fatigue strength range. The range for the occurrence of dynamic stresses, which is smaller than that in the area of static strength but above the maximum yield in the Fatigue range lie, it should be percentage be reduced, d. H. the fatigue strength range should to the disadvantage of the time-stability range for static Strength range are moved.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. The achievement of the object is achieved by the characterizing feature of claim 1 characterized. Advantageous embodiments are in the subclaims played.
Eine Möglichkeit, lokal Kaltverformungen an Werkstücken bzw. Werkstoffen in Form von Schlagverdichten zu realisieren, ist bereits aus der Druckschrift EP 0 180 855 B1 bekannt. Diese Druckschrift beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steigerung der Dauerfestigkeit von Großkurbelwellen und ähnlichen dynamisch beanspruchten großen Bauteilen durch örtlich begrenztes Hämmern in am höchsten beanspruchten Bereichen, wie Hohlkehlen, Bohrungsmündungen und Querschnittsübergänge. Dazu werden durch reproduzierbare Kugeleindrücke Druckspannungen in dynamisch beanspruchten Bauteilen erzeugt. Bei dieser Druckschrift geht man allgemein davon aus, daß biege- oder torsionsbeanspruchte Bauteile in Querschnittsübergängen Spannungsspitzen aufweisen, die ohne entsprechende Gegenmaßnahmen auf der Werkstoffseite zum Bruch führen können. Dies gilt sowohl für statische als auch für dynamische Beanspruchungen.One way to locally cold work on workpieces or materials in the form of impact compression realize is already out of the document EP 0 180 855 B1. This document deals itself with a method and a device for Increasing the fatigue strength of large crankshafts and similar dynamically stressed large components localized hammering in the most stressed Areas such as fillets, boreholes and Section transitions. This is done by reproducible Ball impressions compressive stresses in dynamically stressed Produced components. In this document you go generally assuming that bending or torsional stress Components in cross-sectional transitions voltage spikes have, without appropriate countermeasures on the Material side can lead to breakage. This is true for static and dynamic loads.
Das in der Druckschrift beschriebene Verfahren bedient sich einer hydraulischen Schlagvorrichtung, die an einem zylindrischen Zapfen des Werkstücks geführt und über ein Joch erhalten wird. Sie umfaßt einen Grundkörper mit einem hydraulisch betriebenen Kolben, einem angeflanschten Steuerventil und einem Druckgeber zur Messung des Öldrucks. Auf den Grundkörper wird das werkstückspezifische Schlagwerkzeug als Wechselteil aufgesetzt. In diesem ist der Führungsstößel gelagert, der über den Umlenkbolzen die beiden in der Schlagebene frei beweglich geführten Druckstößel beaufschlagt. Die Wirkungsrichtung der Druckstößel ist zweckmäßigerweise auf das Beanspruchungsmaximum in den Übergangsradien hin gerichtet. Die Kraft bewirkt durch die symmetrisch angeordneten Druckstößel zunächst die Zentrierung der Schlagvorrichtung am Werkstück. Die ansteigende Druckkraft führt in den Übergangsradien zu kalottenförmigen, teilplastischen Verformungen. Bei abnehmender Druckkraft federt das Werkstück wieder zurück. In oberflächennahen Bereichen bewirkt der Kugeleindruck eine Verfestigung. Die dabei erreichte Tiefenwirkung des resultierenden Druckspannungszustandes ist ein wichtiger Faktor bei der Dauerfestigkeitssteigerung durch dieses Verfahren. Die Wirkung des Kugeleindrucks selbst wird beeinflußt von der Schlagkraft, der Werkstofffestigkeit und den geometrischen Gegebenheiten. Dieses Verfahren wurde jedoch ausschließlich zur örtlichen Erhöhung der Dauerfestigkeit von Werkstoffen eingesetzt.The method described in the document uses a hydraulic impact device attached to a guided cylindrical pin of the workpiece and over a Yoke is obtained. It comprises a basic body with one hydraulically operated piston, a flanged Control valve and a pressure transducer for measuring the oil pressure. On the body is the workpiece-specific Impact tool mounted as a change part. In this is the guide tappet mounted on the over the pivot pin both freely guided in the beating plane Pressure plunger applied. The direction of action of Push rod is conveniently on the Stress maximum directed in the transition radii out. The force is caused by the symmetrically arranged Pressure ram first the centering of the impact device on the workpiece. The increasing pressure force leads into the Transition radii to dome-shaped, semi-plastic Deformations. With decreasing pressure force springs the Workpiece back again. In near-surface areas causes the ball impression solidification. The case achieved depth effect of the resulting Compressive state is an important factor in the Increased fatigue strength through this process. The Effect of the ball impression itself is influenced by the Impact force, the material strength and the geometric Conditions. However, this procedure became exclusive for locally increasing the fatigue strength of materials used.
Der Erfinder hat erkannt, daß die bei dem bei Biege- und Torsionsbeanspruchung zur Erhöhung der Dauerfestigkeit bekannten Verfahren getroffenen Aussagen bezüglich der Erhöhung der Dauerfestigkeit auch auf die gleichwertige Erhöhung von statischer Festigkeit und dynamischer Festigkeit und damit auf die Verringerung des Verhältnisses zwischen statischer Festigkeit und Dauerfestigkeit bzw. die Verringerung des relativen Bruchmomentes, d. h. des Verhältnisses zwischen den Bruchmomenten bei statischer und dynamischer Belastung, übertragbar ist und insbesondere für das Anforderungsprofil bei Sollbruchstellen erhebliche Vorteile besitzt.The inventor has recognized that in the case of bending and Torsional stress to increase fatigue strength statements made with respect to the known methods Increasing the fatigue strength also on the equivalent Increase of static strength and more dynamic Strength and thus on the reduction of the ratio between static strength and fatigue strength or the Reduction of the relative breaking torque, d. H. of Relationship between the fracture moments in static and dynamic load, is transferable and in particular for the requirement profile at breaking points considerable Has advantages.
Durch die erfindungsgemäße örtliche Kaltverformung im Bereich der Sollbruchstelle erhöht sich die maximal ertragbare Spannung bei wechselndem Betrieb um einen bestimmten Betrag. Um eben diesen Betrag erhöht sich gleichzeitig auch die maximal ertragbare Spannung bei statischer Beanspruchung. Der Dauerfestigkeitsbereich vergrößert sich somit zuungunsten des Zeitfestigkeitsbereiches. Die prozentuale Ausdehnung des dynamischen Festigkeitsbereiches ist dabei größer als die prozentuale Ausdehnung des statischen Festigkeitsbereiches. Das Größenverhältnis zwischen statischer Belastbarkeit und dynamischen Lastmoment wird reduziert. Bei gewünschter gleichbleibender dynamischer Festigkeit kann somit der Querschnitt reduziert werden, was bedeutet, daß trotz Querschnittsreduzierung das gleiche Moment in diesem Bereich übertragen werden kann, die Schlagzugfestigkeit aber reduziert wird.Due to the inventive local cold deformation in Area of the predetermined breaking point increases the maximum sustainable voltage by one in alternate operation certain amount. To just this amount increases at the same time the maximum tolerable voltage static load. The fatigue strength range thus increases to the disadvantage of Term strength range. The percentage expansion of the dynamic strength range is greater than that percentage expansion of the static strength range. The size ratio between static load capacity and dynamic load torque is reduced. At the desired constant dynamic strength Thus, the cross-section can be reduced, which means that despite cross-section reduction the same moment in This area can be transferred to the Impact resistance but reduced.
Die Druckeigenspannungen werden beispielsweise durch Kaltverformen, wie Kugelstrahlen, Festwalzen oder Schlagverformen erreicht. Um den gewünschten Effekt sicher zu erzielen, ist größtmögliche Tiefenwirkung notwendig. Dies ist durch Anwendung des Schlagverformens am besten möglich. Die Reproduzierbarkeit der einzelnen Verfahrensparameter garantiert optimale Ergebnisse.The compressive stresses are, for example, by Cold forming, such as shot peening, deep rolling or Achieved impact deformation. To ensure the desired effect To achieve the greatest possible depth effect is necessary. This is best by applying impact deformation possible. The reproducibility of the individual Process parameters guarantee optimal results.
Mittels der Kaltverformung werden gezielt Druckspannungen bis in Höhe der maximalen Druckeigenspannungen, die in der Regel der Streckgrenze entsprechen, erzeugt. Diese Druckspannung kann zu der bei unbehandelten Werkstoffproben ermittelten Torsionsdauer- bzw. Wechselfestigkeit addiert werden und ergibt damit einen Spannungswert, welcher den neuen Grenzwert für das Versagen durch Dauerbruch bestimmt, d. h. den maximal zulässigen Wert für dynamische Beanspruchungen. Gleichzeitig erhöht sich auch der Grenzwert für die statische Bruchfestigkeit um den Betrag der maximalen Druckeigenspannung. Der Zeitfestigkeitsbereich, d. h. der Bereich zwischen Dauerfestigkeit und statischer Festigkeit, bleibt in seiner Größe bezogen auf unbehandelte Werkstoffproben bestehen, verschiebt sich jedoch zu höheren Spannungswerten hin. Das Erzeugen von Druckeigenspannungen am Bauteil führt somit dazu, daß sich die Dauerfestigkeit prozentual zu weit höheren Werten verschiebt als die statische Festigkeit. Das Verhältnis zwischen ertragbarer Spannung im statischen Festigkeitsbereich und der maximal ertragbaren Spannung im Dauerfestigkeitsbereich verringert sich gegenüber einem unbehandelten gleichartigen Bauteil.By means of cold deformation targeted compressive stresses up to the level of the maximum compressive residual stresses in the Rule of the yield point correspond produced. These Compressive stress can be compared to untreated material samples added Torsionsdauer- or alternating strength added be and thus gives a voltage value, which the new limit value for fatigue failure, d. H. the maximum allowed value for dynamic Stresses. At the same time, the number increases too Limit for the static breaking strength by the amount the maximum compressive residual stress. The Time Strength Range, d. H. the area between Fatigue strength and static strength, remains in his Size based on untreated material samples, shifts however towards higher voltage values. The Generating residual compressive stresses on the component thus leads in addition, the fatigue strength percentage too far higher values than the static strength. The Relationship between sustainable voltage in static Strength range and the maximum sustainable voltage in the Fatigue range is reduced compared to one untreated similar component.
Die Kaltverformung kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Verfahren wie das Schlagverdichten, bekannt aus der oben genannten Druckschrift, Kugelstrahlen oder Festwalzen sind denkbar. Für die Behandlung eines kompakten Bauteiles, vorzugsweise eines zylindrischen Bauteiles, bietet sich das Festwalzverfahren an. Bei lediglich gewünschter örtlicher Erhöhung der ertragbaren Spannungswerte ist das Schlagverformungsverfahren besonders geeignet. Bei diesen werden örtlich kleine Kügelchen angesetzt, welche in das Bauteil wenigstens zum Teil eingeschlagen werden.Cold deformation can be done in different ways will be realized. Methods like impact compression, known from the above document, shot peening or deep rolling are conceivable. For the treatment of a compact components, preferably a cylindrical Components, offers the deep rolling process. at only desired local increase of the sustainable Tension values is the impact deformation method especially suitable. These are locally small globules attached, which in the component at least in part be taken.
Vervielfacht kann dieser Effekt noch durch eine zusätzliche Werkstoffbehandlung, beispielsweise einen Härtevorgang vor der Kaltverformung werden.This effect can be multiplied by an additional one Material treatment, for example, a hardening process before the cold deformation.
Mit dem erfindungsgemäßen Erzeugen von Druckspannungen ist es möglich, die ertragbaren Spannungen bei Torsions-, Biege- oder zusammengesetzten Beanspruchungen von entsprechenden Werkstoffen im Bereich von Sollbruchstellen an die Einsatzfälle anzupassen, was ökonomisch sehr günstig ist. Des weiteren zeichnet sich ein kaltverformtes Bauteil durch einen kleineren Zeitfestigkeitsbereich gegenüber einem Bauteil aus einem Werkstoff aus, welcher bereits den gewünschten Torsions- oder Biegedauerfestigkeitswert aufweist, aus.With the generation of compressive stresses according to the invention it is possible to increase the tolerable tensions in torsion, Bending or composite stresses of corresponding materials in the area of predetermined breaking points to adapt to the applications, which is economically very favorable is. Furthermore, a cold-formed component is distinguished by a smaller time-resistance range a component made of a material which already has the desired torsional or flexural strength value has, off.
Bei Verbesserung der Sollbruchstellen ist es wesentlich, die Lage der Sollbruchstelle, deren Tiefe sowie die zusätzliche Eindrücktiefe nach dem Schlagverdichten und eventuell mögliche Verformungen mit zu berücksichtigen. Diese sollte an Stellen geringer Eigenelastizität angeordnet werden. Beispielsweise wird man in einem Antriebsstrang in drehmomentübertragenden Bauteilen, wie beispielsweise Gelenkwellensträngen, die zu behandelnde Sollbruchstelle möglichst am radial weiter innen angeordneten Maschinenteil vorsehen.When improving the predetermined breaking points, it is essential the location of the predetermined breaking point, its depth and the additional indentation depth after impact compression and possibly to take into account possible deformations. This should be in places of low intrinsic elasticity to be ordered. For example, you will be in one Powertrain in torque-transmitting components, such as For example, drive shaft strands, the treated Predetermined breaking point as far as possible radially further inside Provide arranged machine part.
Die Gestaltung, Anordnung und insbesondere Tiefe der Sollbruchstelle ist derart festzulegen, daß der im Bereich der Sollbruchstelle verbleibende Restquerschnitt des Maschinenteiles die erzeugten Druckspannungen aufnehmen kann und diese nicht in Verformungen abbaut.The design, arrangement and in particular depth of the Predetermined breaking point is set so that the in the area the predetermined breaking point remaining residual cross section of Machine part record the generated compressive stresses can and does not break down into deformations.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe soll nachfolgend anhand von Figuren erläutert werden. In diesen wird im übrigen folgendes dargestellt:The solution according to the invention is intended below will be explained with reference to figures. In these will be in the rest are shown below:
Fig. 1 zeigt ein Diagramm mit Festigkeitswerten vor und nach der Kaltverformung für einen ausgewählten Werkstoff; Fig. 1 is a graph showing strength values before and after cold working for a selected material;
Fig. 2 zeigt einen Anwendungsfall für das Behandeln einer Sollbruchstelle am Beispiel einer Tripodegelenkwelle; Fig. 2 shows an application for the treatment of a predetermined breaking point on the example of a Tripodegelenkwelle;
Fig. 3a und 3b zeigen Möglichkeiten für die Gestaltung von Sollbruchstellen. Fig. 3a and 3b show possibilities for the design of predetermined breaking points.
Die Fig. 1 erläutert anhand eines Diagrammes die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Kennwerte für den Werkstoff 42 CrMo 4. Dieser Werkstoff weist im einzelnen die folgenden Kennwerte auf, welche dem folgend genannten Fachbuch entnommen sind: Winkler; Aurich: "Technische Mechanik", VEB Fachbuchverlag Leipzig 1987. Figs. 1 explained on the basis of a diagram, the characteristics achieved with an inventive method for the material 42 CrMo 4. This material has, in detail, the following characteristic values, which are taken from the textbook following said: Winkler; Aurich: "technical mechanics", VEB specialist book publishing Leipzig 1987.
Aus der Beziehung τtw/τB = 0,28 ergibt sich ein Wert von τdynamisch zulässig von 280 N/mm². Für das unbehandelte Bauteil ergibt sich somit als Verhältnis vonThe relationship τ tw / τ B = 0.28 yields a value of τ dynamically permissible of 280 N / mm². For the untreated component thus results as a ratio of
τstatisch/τdynamisch = 3,57.τ static / τ dynamic = 3.57.
Im Diagramm sind auf der linken Seite unter I die Werte für τdynamisch und τstatisch für den unbehandelten Werkstoff eingetragen. Demgegenüber auf der rechten Seite unter II die Werte für τdynamisch und τstatisch für den behandelten, vorzugsweise schlagverdichteten Werkstoff, wenn eine maximale Druckeigenspannung von 460 N/mm² erzeugt wird.In the diagram, the values for τ dynamic and τ static for the untreated material are entered on the left side under I. In contrast, on the right side under II the values for τ dynamic and τ static for the treated, preferably impact-compacted material, when a maximum compressive residual stress of 460 N / mm² is generated.
Bei einer möglichen Schlagverformung, insbesondere - Verfestigung erfolgt eine Erhöhung der zulässigen Spannungswerte bzw. der maximal ertragbaren Spannungswerte bis in Höhe der maximalen Druckeigenspannung. Dies führt dazu, daß die Torsionsdauerfestigkeit τdynamisch prozentual um einen höheren Betrag anwächst als die maximal ertragbare Torsionsspannung τstatisch. Dies bedeutet, daß bezogen auf unbehandelte Werkstoffe im Dauerfestigkeitsbereich und im statischen Festigkeitsbereich weitaus höhere Spannungen ertragbar sind, der Zeitfestigkeitsbereich jedoch prozentual verringert wird.In the case of possible impact deformation, in particular solidification, an increase in the permissible voltage values or the maximum tolerable voltage values takes place up to the level of the maximum compressive residual stress. As a result, the torsional fatigue strength τ increases dynamically as a percentage by a larger amount than the maximum sustainable torsional stress τ statically . This means that based on untreated materials in the fatigue strength range and in the static strength range, much higher voltages can be tolerated, but the time-stability range is reduced in percentage terms.
Die Fig. 2 verdeutlicht einen Anwendungsfall für die Verbesserung einer Sollbruchstelle am Beispiel einer Tripodegelenkwelle. Die Fig. 2 verdeutlicht dabei eine Welle-Nabe-Verbindung 1 zur Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei gleichachsigen Maschinenteilen - einem ersten Maschinenteil 2 und einem zweiten Maschinenteil 3. Das erste Maschinenteil 2 ist dabei mit einer hier nicht dargestellten Antriebsquelle gekoppelt und dient der Drehmomentenübertragung auf das Maschinenteil 3, welches mit dem Abtriebsstrang wenigstens mittelbar in Verbindung steht. Das erste Maschinenteil 2 bildet hierbei die Welle, während das zweite Maschinenteil 3 die Nabefunktion übernimmt. Die Drehmomentenübertragung erfolgt über wälzgelagerte Kurvenrollen 4, die sich an im Maschinenteil 2 gelagerten zylindrischen Körpern 5 abstützen und in Führungsbahnen 6 im zweiten Maschinenteil 3 in axialer Richtung verschoben werden können. Die Tripode stellt hier eine einfache Möglichkeit zur Realisierung eines axialen Längenausgleichs dar. Fig. 2 illustrates an application for the improvement of a predetermined breaking point on the example of a Tripodegelenkwelle. FIG. 2 illustrates a shaft-hub connection 1 for transmitting torques between two equiaxed machine parts-a first machine part 2 and a second machine part 3 . The first machine part 2 is coupled to a drive source not shown here and serves to transmit torque to the machine part 3 , which is at least indirectly connected to the output train. The first machine part 2 forms the shaft, while the second machine part 3 takes over the Nabefunktion. The torque transmission takes place via roller bearings mounted on rollers 4 , which are supported on mounted in the machine part 2 cylindrical bodies 5 and can be moved in guideways 6 in the second machine part 3 in the axial direction. The tripode represents here a simple way to realize an axial length compensation.
Im Maschinenteil 2 ist zur Sicherung gegenüber Drehmomentenüberlastung im Antriebsstrang eine sogenannte Sollbruchstelle 7 vorgesehen. Diese ist im Bereich des größeren Querschnittes des Maschinenteils 2 angeordnet, da an dieser Stelle ein erhöhtes Widerstandsmoment vorhanden ist und bei der Kaltverformung, vorzugsweise mittels Schlagverfestigung keine Verformungen in axialer Richtung auftreten. Die Gestaltung und insbesondere Tiefe der Sollbruchstelle ist derart festzulegen, daß der im Bereich der Sollbruchstelle verbleibende Restquerschnitt am Maschinenteil 2 die erzeugten Druckspannungen aufnehmen kann und diese nicht in Verformungen des Maschinenteiles 2 abgebaut werden.In machine part 2 , a so-called predetermined breaking point 7 is provided to protect against torque overload in the drive train. This is arranged in the region of the larger cross-section of the machine part 2 , since at this point an increased resistance moment is present and occur in the cold deformation, preferably by means of impact hardening no deformation in the axial direction. The design and in particular depth of the predetermined breaking point is to be determined in such a way that the residual cross section remaining in the area of the predetermined breaking point on the machine part 2 can absorb the compressive stresses generated and these are not broken down into deformations of the machine part 2 .
Bei Drehmomentenüberlastung erfolgt bei Erreichen bzw. Überschreitung der Dauerwechselfestigkeit ein Bruch an der Sollbruchstelle 7. In diesem Bereich wird das Maschinenteil 2 sozusagen in zwei Teile unterteilt, einen ersten Teil 8 und einen zweiten Teil 9. Der erste Teil 8 wird dabei weiterhin von der Antriebsquelle angetrieben, während der zweite Teil 9 keinerlei Drehmoment auf die Nabe 4 und damit das zweite Maschinenteil 3 überträgt.When torque overload occurs when reaching or exceeding the fatigue strength a break at the breaking point 7 . In this area, the machine part 2 is divided, so to speak, into two parts, a first part 8 and a second part 9 . The first part 8 is still driven by the drive source, while the second part 9 does not transmit any torque to the hub 4 and thus the second machine part 3 .
Die Sollbruchstelle 7 ist in der Fig. 2 als Kerbe nach erfolgter Kaltverformung, vorzugsweise durch Schlagverformen, dargestellt. Als Einzelheit ist diese nochmal in Fig. 3a wiedergegeben. In dieser ist die Kerbe in Rillenform mit stufenartigem Querschnittsübergang 10 ausgeführt. Der Querschnittsübergang 10 ergibt sich durch Ansetzen und Einschlagen einer zum Schlagverformen verwendeten, hier nicht dargestellten Kugel in den Kerbengrund. Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 3b dargestellt. Bei dieser Ausführung erfolgt das Schlagverformen derart, daß die Kerbe nach Anwendung dieses Verfahrens eine einfache Rillenform ohne Querschnittssprünge aufweist. Die Kugel wird dabei derart im Kerbengrund angesetzt und eingeschlagen, daß die ursprünglichen Kerbenseiten sich nach dem Schlagverformen tangential an deren Eindruck anschließen.The predetermined breaking point 7 is shown in FIG. 2 as a notch after cold deformation, preferably by impact deformation. As a detail, this is shown again in Fig. 3a. In this, the notch in groove shape with step-like cross-sectional transition 10 is executed. The cross-sectional transition 10 results from applying and hammering a ball used for impact deformation, not shown here in the notch bottom. Another possibility is shown in Fig. 3b. In this embodiment, the impact deformation takes place in such a way that the notch after application of this method has a simple groove shape without cross-sectional jumps. The ball is thereby set in the notch base and hammered that the original notch sides join tangentially to the impression after the impact deformation.
Claims (9)
- 8.1 das Bauteil wird als Bestandteil einer Welle- Nabe-Verbindung ausgebildet;
- 8.2 die Sollbruchstelle wird derart angeordnet, daß der im Bereich der Sollbruchstelle verbleibende Restquerschnitt des Bauteiles auf einem geringen Durchmesser angeordnet ist und eine ausreichende Wanddicke für Bereiche mit oder ohne Druckeigenspannungen aufweist.
- 8.1 the component is formed as part of a shaft-hub connection;
- 8.2 the predetermined breaking point is arranged such that the remaining in the region of the predetermined breaking point residual cross section of the component is arranged on a small diameter and has a sufficient wall thickness for areas with or without compressive residual stresses.
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