Fretting Fatigue of Shape-Optimised Polygon-Shaft-Hub Connections
Großmann, Christoph
Die Anwendung der gegenwärtig genormten Polygonprofilreihen zur Leistungsübertragung bei Welle-Nabe-Verbindungen wird im wesentlichen durch die nenngrößenabhängigen Profilformen behindert. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden geeignete Profilformen entwickelt, um zukünftige Normreihen mit geometrisch ähnlichen Profilformen und verbesserten Übertragungseigenschaften aufzubauen. Diese Arbeit berichtet über den experimentellen Teil des Forschungsprojekts. Die Experimente untersuchten in erster Linie den Einfluss der Profilform auf das Reibermüdungsverhalten, da Reibermüdung die entscheidende Rolle für die Tragfähigkeit von Polygonverbindungen spielt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Profilform eine spezifische Spannungsverteilung am Ort der Rissentstehung hervorruft und damit die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung bestimmt. Dauerversuche an Polygonverbindungen mit optimierten Profilformen ergaben im Vergleich zu den gegenwärtig genormten Profilformen verbesserte Tragfähigkeiten. Neben der Entwicklung optimierter Profilgeometrien wurden in dieser Arbeit verschiedene Auslegungsmethoden untersucht, um einen verlässlichen Ansatz zur Dauerfestigkeitsvorhersage für Polygonverbindungen abzuleiten. Ein Vergleich zwischen den experimentell ermittelten Tragfähigkeiten von P4C- und Keilwellenverbindungen zeigt die schwierige Interpretation der häufig benutzten Kerbwirkungszahl, da die spezifischen Bezugsdurchmesser zur Berechnung der Kerbwirkungszahl keinen Zusammenhang zur Reibermüdungsfestigkeit aufweisen. Untersuchungen zur Anwendung normierter Wöhlerlinien zur Beschreibung der allgemeinen Reibermüdungsfestigkeit von Polygonverbindungen zeigen, dass diese nur für wenige Verbindungsparameter sinnvoll eingesetzt werden können. Alternativ wurden zwei Methoden aus dem Bereich der lokalen Spannungsansätze untersucht. Diese berücksichtigen den Spannungs- und Dehnungszustand direkt am Ort der vermuteten Rissentstehung. Die Methoden wurden anhand von FE-Analysen und ausgewählten Versuchen an P3G-Verbindungen beurteilt. Die erste Methode war ein dehnungsbasierter Lebensdauervorhersageansatz, der auf einer klassischen analytischen Verknüpfung von Rissentstehung und Rissausbreitung basiert. Die Lebensdauerschätzungen mit diesem Ansatz zeigen jedoch nur eingeschränkten Erfolg, da die Ergebnisse sehr stark von den jeweils gewählten Werkstoffparametern abhängen. Die zweite Methode, ein Kurzrisswachstumsansatz, zeigt hingegen eine sehr präzise Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Der Ansatz verwendet das KITAGAWA-TAKAHASHI-Diagramm, um das Ausbreitungsverhalten kurzer Risse zu beurteilen. Ein Vergleich zwischen einer werkstoffspezifischen Schwellenwertspannung und einer lastäquivalenten Spannung erlaubt die Vorhersage, ob ein kurzer Riss stehen bleibt oder bis zum Bruch fortschreitet. Dieser Kurzrisswachstumsansatz ist geeignet, um als zukünftige Methode zur Dauerfestigkeitsvorhersage von Polygon-verbindungen zu dienen.
The application of the current polygon standard ranges for power transmission with shaft-hub connections is mainly impeded by the shortcomings of nominal size-specific profile shapes. Within the scope of a collaborative research project optimised profile shapes were developed which are intended to build up future standard ranges providing geometrical similarity with improved transmission behaviour. The experimental part of the research project, which is reported in this dissertation, focussed on the influences of the shape design on the fretting fatigue behaviour because of its decisive role for the load carrying capacity of polygon connections. The studies revealed that the profile shape is responsible for a specific stress gradient at the initial crack location and therefore determines the fatigue strength of the connection. High cycle fatigue tests on polygon connections with optimised profile shapes showed improved load carrying capacities in comparison to the currently standardised profile shapes. Besides the development of optimised profile shapes different dimensioning methods were examined to derive a reliable prediction method for the fatigue strength of polygon connections. A comparison between the experimentally obtained fatigue strengths of P4C-connections and spline connections showed the difficult interpretation of the widely-used fatigue stress concentration factor because the specific reference diameter used to compute the nominal stress for the fatigue stress concentration factor does not correlate to the fatigue strength. Analyses of the application of unified scatter bands to describe the general fatigue strength of polygon connections showed that the use of these bands is limited to only few parameter variations even at the same profile type and therefore not suitable for a wider us-age. Alternatively two local stress methods were examined which considered the local stress and strain state directly at the designated crack location. The methods were assessed using FEA and the experimentally obtained fretting fatigue strength of selected P3G polygon test blocks. The first approach was a strain based life prediction method which is based on a classic analytical linkage of crack initiation and crack propagation. The life estimations applying this method showed only limited success because of its large dependency on the chosen material parameters. However the application of the second method, a short-crack growth approach, showed a very precise agreement with the experiments. The approach uses the KITAGAWA-TAKAHASHI diagram to assess the propagation behaviour of a short crack. The comparison between a material-specific threshold stress and a load-specific equivalent stress allows the prediction of whether a short crack arrests or propagates to failure. This short-crack growth approach seems promising as a future dimensioning method for the fretting fatigue strength of polygon connections.
