Fortschrittsberichte aus der Produktionstechnik Herausgegeben von: Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm Prof. Dr.-Ing. Martin Fehlbier Universität Kassel Band 6 Jonas Klinge (M. Eng.) Steigerung der Tragfähigkeit thermisch gefügter Pressverbindungen im Ventiltrieb D 34 (Diss. Univ. Kassel) Shaker Verlag Aachen 2016
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2016 Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Maschinenbau der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Erster Gutachter: Zweiter Gutachter: Prüfer: Prof. Dr.-Ing Stefan Böhm Prof. Dr. rer. nat. Angelika Brückner-Foit Prof. Dr.-Ing Adrian Rienäcker Prof. Dr.-Ing Martin Fehlbier Tag der mündlichen Prüfung: 04.04.2016 Copyright Shaker Verlag 2016 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 978-3-8440-4575-8 ISSN 2195-5670 Shaker Verlag GmbH Postfach 101818 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de E-Mail: info@shaker.de
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Zeit als Doktorand in der Abteilung HMS-F2 der Volkswagen AG am Standort Salzgitter. Herrn Prof. Dr.-Ing. Stefan Böhm danke ich für die Betreuung meiner Promotion sowie das in mich gesetzte Vertrauen. Frau Prof. Dr. rer. nat. Angelika Brückner-Foit danke ich für Übernahme des Zweitgutachtens sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker und Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin Fehlbier für die Übernahme des Koreferats. Ich danke Herrn Dipl.-Ing. Hermann Ziehte, Herrn Dipl.-Ing. Jens Falkenberg und Herrn Dipl.-Ing. Jens-Peter Barth für die Möglichkeit, meine Dissertation in der Abteilung HMS-F2 anzufertigen sowie die stete Förderung meiner Arbeit. Im Weiteren danke ich allen Kollegen, die mich bei meiner Arbeit unterstützt haben. Im Besonderen Herrn Dipl.-Ing. Jan Funke für die Unterweisung am dynamischen Torsionsprüfstand sowie dafür, mir bei laborspezifischen Fragen stets zu Seite gestanden zu haben. Herrn Marcell Daniel und Herrn Yannick Mertinat für die Anfertigung der Schliffproben und die Unterstützung am Auflichtmikroskop. Herrn Peter Kawa für die unermüdliche Ausdauer bei der Bedienung des Prüfstands zur Ermittlung der statischen Losbrechmomente und Frau Corinna Sturm für ihre präzise Arbeit an der Trennscheibe. Herrn Dipl.-Ing. Heino Schiller für die Möglichkeit, das Keyence Laserscanning-Mikroskop zu nutzen, welches die Durchführung dieser Arbeit erst ermöglicht hat. Bei meinen beiden Doktorandenkollegen Herrn Dipl.-Ing. Eugen Beck und Herrn M.Sc. Marcel Bortfeldt sowie meinem Studenten Herrn B.Eng. Timo Wolf möchte ich mich für die gute Zusammenarbeit und die anregenden fachlichen Diskussionen bedanken. Ein ganz besonderer Dank geht an meine Eltern, die mir immer vertraut und mich stets in meinem Werdegang unterstützt und gefördert haben. Insbesondere meiner Freundin Frau B. Art. Imke Ziegert danke ich besonders für die vielen Stunden kritischen Korrekturlesens sowie die Unterstützung in den letzten Jahren. Salzgitter, Januar 2016 Jonas Klinge
Steigerung der Tragfähigkeit thermisch gefügter Pressverbindungen im Ventiltrieb Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) Vorgelegt im Fachbereich Maschinenbau der Universität Kassel Von Jonas Klinge Wolfenbüttel, Januar 2016
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Dissertation selbstständig, ohne unerlaubte Hilfe Dritter angefertigt und andere als die in der Dissertation angegebenen Hilfsmittel nicht benutzt habe. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten oder unveröffentlichten Schriften entnommen sind, habe ich als solche kenntlich gemacht. Dritte waren an der inhaltlich-materiellen Erstellung der Dissertation nicht beteiligt; insbesondere habe ich hierfür nicht die Hilfe eines Promotionsberaters in Anspruch genommen. Kein Teil dieser Arbeit ist in einem anderen Promotions- oder Habilitationsverfahren verwendet worden. ------------------------------------- Jonas Klinge Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse dieser Dissertation sind nicht notwendigerweise die der Volkswagen AG.
Inhaltsverzeichnis IX Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... IX 0 Kurzfassung... 1 1 Einleitung... 3 2 Stand der Technik... 5 2.1 Nockenwellen... 5 2.1.1 Funktion von Nockenwellen... 5 2.1.2 Herstellung gebauter Nockenwellen... 7 2.2 Welle-Nabe-Verbindungen... 11 2.2.1 Formschlüssige Verbindungen... 12 2.2.2 Kraftschlüssige Verbindungen... 13 2.2.3 Stoffschlüssige Verbindungen... 14 2.2.4 Vorgespannt-formschlüssige Verbindungen... 14 2.3 Pressverbindungen... 14 2.3.1 Grundlagen der Pressverbindungen... 14 2.3.2 Belastung und Versagen von Pressverbindungen... 14 2.3.3 Rechnerische Auslegung nach DIN 7190... 16 2.4 Erhöhung der Tragfähigkeit von Pressverbindungen... 19 2.4.1 Kraft-stoffschlüssige Verbindungen... 20 2.4.2 Kraft-formschlüssige Verbindungen... 23 2.5 Laser... 28 2.5.1 Grundlagen und Funktion von Lasern... 28 2.5.2 Oberflächenbearbeitung mittels Laserstrahlung... 32 3 Aufgabenstellung und Motivation... 37 3.1 Fazit zum Stand der Technik... 37 3.2 Resultierende zentrale Fragestellung... 38 3.3 Aufbau und Gliederung der Arbeit... 40 4 Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur... 43 4.1 Versuchsmethodik... 43 4.1.1 Aufbau der Laserstrukturanlage... 43 4.1.2 Form der Laserstruktur... 47 4.1.3 Vermessung der Laserstruktur... 48 4.2 Prozessfenster zur Oberflächenstrukturierung... 51 4.2.1 Systemgrenzen des Lasers... 51 4.2.2 Leistungsdichte des Laserstrahls... 52 4.2.3 Energiedichte des Laserstrahls... 53 4.2.4 Streckenenergie durch den Pulsversatz... 55
X Inhaltsverzeichnis 4.3 Herstellung einer Oberflächenstruktur... 57 4.3.1 Einfluss der Pulsspitzenleistung... 59 4.3.2 Einfluss der Streckenenergie... 62 4.3.3 Einfluss der Bearbeitungsrichtung... 65 4.3.4 Einfluss des Pulsversatzes... 67 4.3.5 Flächenverhältnis der Randgebirge zum Lasertal... 70 4.4 Prozessfähigkeit der Laserstrukturierung... 74 4.4.1 Test der Grundgesamtheit auf Normalverteilung... 74 4.4.2 Prozessfähigkeitskennwerte... 74 4.5 Kurzfassung zur Herstellung einer Oberflächenstruktur.. 76 5 Oberflächenstrukturierung zur Tragfähigkeitssteigerung... 79 5.1 Versuchsmethodik... 79 5.1.1 Mechanische Beschreibung der Verbindung... 79 5.1.2 Probenherstellung... 80 5.1.3 Statische Drehmomentmessung... 80 5.1.4 Dynamische Drehmomentmessung... 80 5.1.5 Prozessfähigkeit der Tragfähigkeitssteigerung... 82 5.2 Statische Versuchsdurchführung... 82 5.2.1 Tragfähigkeit elementarer Verbindungen... 82 5.2.2 Tragfähigkeitszuwachs strukturierter Verbindungen... 83 5.2.3 Einfluss der strukturierten Fläche... 88 5.2.4 Einfluss der Randgebirgshöhe... 89 5.2.5 Einfluss der Reinigung... 94 5.2.6 Prozessfähigkeit der Tragfähigkeitssteigerung... 96 5.3 Dynamische Versuchsdurchführung... 98 5.3.1 Einfluss der Zeit... 98 5.3.2 Einfluss der Belastung... 99 5.4 Kurzfassung zur Tragfähigkeitssteigerung... 106 6 Diskussion... 109 6.1 Herstellung einer Oberflächenstruktur... 109 6.2 Steigerung der Tragfähigkeit... 114 7 Zusammenfassung und Ausblick... 121 Literaturverzeichnis... XI Abkürzungsverzeichnis... XXI Symbolverzeichnis... XXIII Abbildungsverzeichnis... XXV Tabellenverzeichnis... XXXI