Ergänzende Schwingfestigkeitsuntersuchungen an einzelnen Tellerfedern und an Tellerfedersäulen beliebiger Schichtungen

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1 Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt Leitung: Prof. Dr.-Ing. C. Berger Abteilung Bauteilfestigkeit Ergänzende Schwingfestigkeitsuntersuchungen an einzelnen Tellerfedern und an Tellerfedersäulen beliebiger Schichtungen Vorhaben: AVIF A 155 Laufzeit: bis Förderung: STIFTUNG STAHLANWENDUNGSFORSCHUNG IM STIFTERVERBAND FÜR DIE DEUTSCHE WISSENSCHAFT E.V. über Forschungsgesellschaft Stahlverformung (FSV) und Verband der deutschen Federindustrie (VDFi) Kooperation: Projektbegleitender Arbeitskreis (Unterausschuss Tellerfedern ) des VDFi Bearbeitung: Dipl.-Ing. Cord Teller Bericht: Abschlußbericht: Ergänzende Schwingfestigkeitsuntersuchungen an einzelnen Tellerfedern und an Tellerfedersäulen beliebiger Schichtungen über FSV erhältlich Problemstellung Tellerfedern und Tellerfedersäulen finden ihre praktische Anwendung im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau, wobei ihre Zuverlässigkeit oft nicht nur für die Funktion von Komponenten von maßgebender Bedeutung ist, sondern auch für die Sicherheit von Anlagen und Personen entscheidend sein kann (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 gehen auf umfangreiche Untersuchungen in den Jahren 1959 bzw zurück. Sie gelten ausschließlich für nicht kugelgestrahlte Federn aus Edelstählen, die wahlweise nach den Vorschriften von DIN oder DIN hergestellt wurden. Die Zeit- und Dauerfestigkeitsschaubilder in DIN 2093 haben Gültigkeit für einzelne Federn und Federsäulen in wechselsinniger Schichtung mit bis zu zehn Elementen. Für Tellerfedern anderer Werkstoffe als in DIN oder DIN beschrieben sowie für andere Schichtungen liegen bis heute keine hinreichenden Schwingfestigkeitswerte vor. Ziele Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin in Ergänzung des Vorhabens AVIF A 115, das Ermüdungsverhalten der einzelnen Tellerfeder hinsichtlich mehrerer Parameter (höherfeste Zwischenstufenvergütung, nichtrostende Werkstoffe) zu untersuchen und dieses mit dem Verhalten von Tellerfedersäulen unterschiedlicher Schichtung zu vergleichen.

2 C Vorgehensweise Die Untersuchung der Schwingfestigkeitseigenschaften der einzelnen Tellerfeder erfolgte in Form von Tellerfedersäulen der als Standard gewählten Schichtung 10 x 1. Diese Vorgehensweise wurde notwendig, weil die Prüfung der Einzelfeder aus Reibungsgründen sich für nicht durchführbar erwies. Die genannte Schichtungsart 10 x 1 dient als Vergleichsbasis für die Ermüdungsversuche. Aufgrund der sehr vielen Parameterkombinationen (vgl. Tabelle A), die sich im Versuchprogramm ergaben, und der aufgrund niedriger Frequenz entsprechend lang dauernden Versuche konnten nicht alle Tellerfedersäulen bis zum Versagen aller einzelnen Elemente geprüft werden. Einflußgröße Werkstoff Zustand 51 CrV 4 (1.8159), hochfeste Zwischenstufenvergütung Varianten Geometrie 3 Federabmessungen 2 Federabmessungen X10 CrNi 18 8 (1.4310), X7 CrNiAl 17 7 (1.4568) Fertigung 2 Randschichtzustände 2 Herstellarten exempl. 2 Randschichtzustände Umgebung Tabelle A: Laboratmosphäre mit Schmierung Allgemeine Übersicht über die untersuchten Varianten Angewendet wurde überwiegend das Verfahren, 5 Tellerfedersäulen einer Variante die jeweilige Tellerfedersäule 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 5 Elementen je Säule fortgesetzt werden. Ergebnisse Die Ergebnisse der Schwingversuche an Säulenschichtung 10 x 1 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 werden. Bei einer Schwingprüfung von Tellerfedersäulen der Schichtung 10 x 1 erscheint eine allgemeine statistische Auswertung der Bruchereignisse aufgrund des Verschenkens von statistischen Informationen 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 10 x 1 zu bestimmen. Zum Einfluss von Wärmebehandlungsart und Randschichtzustand für Tellerfedern des Werkstoffes in allen drei Abmessungen kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die Lebensdauerwerte für konventionell vergütete und zwischenstufenvergütete (45 HRC) Federn keine signifikanten Unterschiede aufweisen. Für den höherfesten bainitischen (55 HRC) Vergütungszustand zeigen die Lebensdauerwerte der Abmessung 80 x 41 x 3 eine

3 deutliche Verbesserung gegenüber den beiden anderen Vergütungszuständen, die Lebensdauerwerte für den höherfesten bainitischen (55 HRC) Vergütungszustand der Abmessung 63 x 31 x 1,8 verhalten sich im Vergleich etwa ähnlich. Für die Federabmessung 100 x 51 x 6 mit dem höherfesten bainitischen Vergütungszustand (55 HRC) konnte wegen deutlicher Auswirkungen von Oberflächenfehlern keine, den Grundwerkstoff charakterisierende, Aussage gemacht werden. Bezüglich des Randschichtzustandes kann generell festgestellt werden, dass das Kugelstrahlen in allen untersuchten Fällen zu einer Verbesserung der Lebensdauer führt. Der Vergleich der Lebensdauer von Tellerfedern der Werkstoffe und zeigt, dass die Ergebnisse insgesamt für den Werkstoff besser sind als für den Werkstoff Als Erklärung hierfür käme bei der Federabmessung 80 x 41 x 3 die größere Randhärte des Werkstoffs gegenüber Tellerfedern aus dem Werkstoff in Frage. Während bei der Federabmessung 63 x 31 x 1,8 alle Tellerfederfedern aus dem Werkstoff deutlich höhere Rand-Druckeigenspannungswerte als Tellerfedern aus dem Werkstoff zeigen. Der Fertigungsunterschied gestanzt bzw. gestanzt und gedreht bewirkt keinen signifikanten Einfluss hinsichtlich der Eigenspannungsausbildung. Es ist festzuhalten, dass die Lebensdauerwerte innerhalb des Werkstoffes bei der Schichtung 10 x 1 und der Schichtung 10 x 2 vergleichbar sind, während die Lebensdauer des Werkstoffs von 10 x 1 zu 10 x 2 deutlich abfällt. Bei beiden Abmessungen des Werkstoffs ist die gestanzte Variante in der Lebensdauer besser als die gestanzt und gedrehte Variante, während beim Werkstoff für die Federabmessung 80 x 41 x 3 die gestanzt und gedrehte Variante besser als die gestanzten Variante ist. Bei der Federabmessung 63 x 31 x 1,8 sind die Tellerfedern beider Fertigungsarten in etwa gleichwertig. Die Tellerfedern des Werkstoffs in der Abmessung 63 x 31 x 1,8 weisen in beiden Fertigungszuständen sehr viele verteilte Bruchausgänge auf, was auf die Wirkung von Oberflächenfehlern hindeutet. Diese Oberflächenfehler stellen eine weiteren Nachteil zusätzlich zu den geringeren Druckeigenspannungen dar. Eine weitere Erklärung für das Lebensdauerverhalten könnten unterschiedliche Kantenradien sein, die bei gestanzt und gedrehten Feder einen kürzeren Hebelarm und damit höhere Spannungen bei gleicher Wegeinfederung bewirken als bei nur gestanzten. Das Kugelstrahlen, das beim Werkstoff für die gestanzt und gedrehte und beim Werkstoff für die gestanzte Variante untersucht wurde, führt in beiden Fällen zu einer erheblichen Lebensdauersteigerung. Diese Lebensdauersteigerung ist deutlich größer als bei den untersuchten Varianten des Vergütungsstahls und kann durch die gemeinsame Wirkung von Druckeigenspannungen und Kaltverfestigung erklärt werden. Bei den Tellerfedern aus nichtrostenden Stählen ist folgender Sachverhalt zu berücksichtigen: Sowohl die gestanzten als auch die gestanzt und gedrehten Varianten beider Werkstoffe wurden einer Gleitschleifbehandlung unterzogen. Diese Behandlung führt zu einer Kantenverrundung und zu einer Verringerung der Oberflächenrauheit. Die Untersuchung der Tellerfedervarianten aus dem Werkstoff in der Abmessung 63 x 31 x 1,8 mit den zahlreichen Bruchausgängen ergab eine sehr rauhe Oberflächentopographie, die deutlich von denen der anderen Varianten abweicht. Betrachtungen unter Zuhilfenahme eines bezogenen Wertes (Quotienten) zeigen, dass für die Varianten des Werkstoffs praktisch alle Ergebnisse innerhalb der von der Norm vorgegebenen Höhen- und Krafttoleranzen liegen. Trotzdem treten bei einigen Varianten bis zu 10% höhere Nennfederkräfte auf, als nach dem Normwert erwartet. Es ist festzustellen, dass bei dem Werkstoff die Bauhöhe relativ genau der Norm entspricht und daher für die Abweichungen der Federkraft bei den einzelnen Vergütungsvarianten keine Ursache ermittelt werden konnte. Für Tellerfedern aus nichtrostenden Werkstoffen schreibt die Norm keine Bauhöhe vor, dagegen aber einen Kraftbereich. Hierbei ist noch zu bemerken, dass die beiden untersuchten Werkstoffe und unterschiedliche E-Moduli haben, die zudem

4 von dem Zustand kaltverformt bzw. kaltverformt und wärmebehandelt abhängen. Bei der Abmessung 63 x 31 x 1,8 weisen die Federn aus beiden Werkstoffen eine geringere Kraft im Vergleich zur Norm auf. Ihre Bauhöhen liegen, obwohl nicht vorgeschrieben, in dem Bereich, der bei Federn aus Vergütungsstählen gefordert wird. Bei der Federabmessung 80 x 41 x 3 liegen die Werte für die Nennfederkraft innerhalb des Toleranzbereiches und ordnen sich erwartungsgemäß nach den E-Modulwerten an. Untersuchungen an der Schichtung 10 x 2 wurden in einem kleineren Umfang durchgeführt als die Untersuchungen an der Schichtung 10 x 1. Die Ergebnisse zeigen etwa ein mit den Ergebnissen der Säulenschichtung 10 x 1 vergleichbares Bild. Die Bruchpositionen sind innerhalb der Säule recht gleichmäßig verteilt, zeigen aber jeweils Schwerpunkte bei den Übergängen zwischen 2 Pakete. Zusammenfassung/Praktischer Nutzen/Wirtschaftlichkeit Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Ermittlung der Schwingfestigkeitseigenschaften von Tellerfedern in Abhängigkeit von den wesentlichen Einflussgrößen: Werkstoff-Zustand, Geometrie und Fertigung. Die Lebensdauerwerte der Federn aus dem Vergütungsstahl weisen über alle Federabmessungen hinweg keinen signifikanten Einfluss zwischen der Zwischenstufenvergütung (45 HRC) und der konventionellen Vergütung auf. Es entsteht der Eindruck, dass bei oberflächenfehlerfreier Ausführung eine höherfeste Zwischenstufenvergütung (55 HRC) einen Vorteil in der Lebensdauer bringt. Grundsätzlich zeigen Tellerfedern aus dem Werkstoff: 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 10 x 1 (Vergleichsmaß für das Verhalten der einzelnen Tellerfeder) als Standardschichtung verwendet werden kann. Die Schichtung 10 x 2 ist hiermit sehr gut vergleichbar. Der Unterschied hinsichtlich der Bruchpositionen zwischen den wechselsinnigen und den paketartigen Schichtungen bestand darin, dass bei den paketartigen Schichtungen eine deutliche Konzentration zu den jeweiligen Endfedern bei den Bruchpositionen auftrat. Bei den Untersuchungen an den Tellerfedern aus rostfreien Stählen ergab sich grundsätzlich die Tendenz, dass der Werkstoff etwas bessere Lebensdauerwerte lieferte als der Werkstoff Auch hier ist übergeordnet festzustellen, dass ein Kugelstrahlen die Lebensdauer für beide untersuchte Werkstoffvarianten erheblich verbessert. Allerdings ist gerade im Bereich der Tellerfedern aus rostfreien Werkstoffen eine Vielzahl von offenen Fragen bzw. nicht schlüssig erklärbaren Verhaltensweisen gegeben. 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 Interpretation der Schwingfestigkeitseigenschaften und ihrer Einflussgrößen ermöglicht insgesamt Rückschlüsse auf lebensdauerverlängernde Maßnahmen zu ziehen.

5 Quellen: Abschlußbericht: Ergänzende Schwingfestigkeitsuntersuchungen an einzelnen Tellerfedern und an Tellerfedersäulen beliebiger Schichtungen über FSV erhältlich Veröffentlichungen: Teller, Cord - B. Kaiser und C. Berger: Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Tellerfedern. - Draht. 51 (2000), 5, S Berger, Christina B. Kaiser und C. Teller: Schwingfestigkeitsuntersuchungen an einzelnen Tellerfedern und Tellerfedersäulen beliebiger Schichtung. Gefördert durch die AVIF (Fördernummer A 115). Innovationen in Stahl; Stiftung Stahlanwendungsforschung Essen: Stiftung Stahlanwendungsforschung, S (6. /675) Berger, Christina B. Kaiser und C. Teller: Schwingfestigkeit von Tellerfedersäulen. Fatigue Strength of Disc-Springs. Konstruktion 53 (2001), 6, S Kaiser, Bruno C. Teller und C. Berger: Technische Federn einfache Bauteile mit extremen Anforderungen. thema FORSCHUNG 2001, 2, S