Kurzfassung - MPA-IfW

Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde
Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Leitung: Prof. Dr.-Ing. C. Berger
Abteilung Bauteilfestigkeit
Ermittlung von Dauerfestigkeits- und Relaxationsschaubildern für hochbeanspruchte
Schraubendruckfedern
Vorhaben:
AIF 12 287 N
Laufzeit:
01.12.1999 bis 31.03.2002
Förderung:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto-von-Guericke““
e.V. (AiF) über Forschungsgesellschaft Stahlverformung (FSV) und Verband der
deutschen Federindustrie (VDFi)
Kooperation: Projektbegleitender Arbeitskreis des VDFi
Bearbeitung: Dr.-Ing. Bruno Kaiser
Bericht:
Abschlußbericht: „Ermittlung von Dauerfestigkeits- und Relaxationsschaubildern für
hochbeanspruchte Schraubendruckfedern“ über FSV erhältlich
Problemstellung
Für eine sichere Dimensionierung hochbeanspruchter Schraubendruckfedern gegen Dauerbruch
oder unzulässig große Relaxation benötigt der Konstrukteur geeignete Werkstoffkennwerte, am
besten in Form von kompletten Dauerfestigkeitsschaubildern, aus denen die dauerfest ertragbare
Hubspannung der Federn in Abhängigkeit von der überlagerten statischen Beanspruchung
abzulesen ist, sowie in Form von Relaxationsschaubildern, die das Relaxationsverhalten der
Federn als prozentualen Kraftverlust in Abhängigkeit von Werkstoff, Drahtdurchmesser,
Ausgangsspannung, Zeit und Temperatur darstellen.
Da die in der DIN 2089 angegebenen Dauerfestigkeits- und Relaxationsschaubilder auf ca. 25
Jahre alten Ergebnissen basieren und zwischenzeitlich neue Werkstoffe bzw. geänderte
Randbedingungen hinzugekommen sind, ist eine umfassende und systematische Bewertung der
Dauerfestigkeit und des Relaxationsverhaltens von Schraubendruckfedern unter Berücksichtigung
der neuesten Normentwick-lungen erforderlich.
Ziele
Das Hauptziel der Untersuchung besteht darin, statistisch abgesicherte Ergebnisse zum
Dauerschwingverhalten
und
Relaxationsverhalten
von
Schraubendruckfedern
aus
Federstahldrähten der Sorten VDSiCr, TDSiCr, DH, DM, 1.4568 und 1.4310 mit unterschiedlicher
Zusammensetzung und mit verschiedenen Prozessen zur Festigkeitseinstellung für die
Drahtdurchmesser 1, 2, 3 , 5 und 8 mm zu ermitteln, zu interpretieren und für die Federberechnung
und -dimensionierung aufzubereiten.
Darin enthalten sind die Zielsetzungen,
• konkrete Angaben über das Schwingfestigkeitsverhalten von Schraubendruckfedern in Form
kompletter
Dauerfestigkeitsschaubilder
(Goodman-Diagramme)
und
über
das
Relaxationsverhalten von Schraubendruckfedern in Form von Relaxationsschaubildern zu
erarbeiten, die für die unten aufgeführten Werkstoffgruppen auf der Basis der DIN-ENWerkstoffnormen auch in eine zukünftige Berechnungsnorm aufgenommen werden können
• und die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit von Schraubendruckfedern aus den
genannten Werkstoffgruppen zu erhöhen, Überdimensionierung und damit unnötigen
Materialeinsatz zu vermeiden sowie Schadensfälle mit allen negativen Konsequenzen stark
einzuschränken.
S_9357.doc
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Vorgehensweise
Die Untersuchungen basieren im wesentlichen auf zwei Methoden:
Schwingversuche bei Raumtemperatur, die auf bis zu 8 Spannungshorizonten mit 8 bis 12
Versuchsfedern statistisch geplant und ausgewertet werden und zu Wöhlerlinien für bestimmte
Überlebenswahrscheinlichkeiten führen. Aus mehreren solcher Wöhlerlinien werden Dauerfestigkeitsschaubilder (Goodman-Diagramme) ermittelt. Die Schwingversuche an Schraubendruckfedern
in fünf Abmessungen aus sechs unterschiedlichen Werkstoffen werden auf zwei etwa baugleichen
Federprüfmaschinen (Bosch-Federschwingen für die Federn mit Drahtdurchmesser 1 mm bis 5 mm)
sowie auf einer großen Exzenterprüfmaschine (Bauart Askon für Federn mit Drahtdurchmesser 8
mm) durchgeführt.
Tabelle 1 zeigt das Versuchsprogramm der Dauerschwingversuche mit mindestens zwei bzw. drei
unterschiedlichen Unterspannungs-Niveaus je Parameterkombination.
1 mm
2 mm
3 mm
5 mm
8 mm
DM kugelgestrahlt
3
3
3
3
3
DH kugelgestrahlt
3
3
3
3
---
Schraubendruckfedern mit
d=
aus den Werkstoffen
TDSiCr kugelgestrahlt
3
3
2
3
3
VDSiCr kugelgestrahlt
3
3
2
3
3
X10CrNi188 (1.4310) ungestrahltt
3
3
2
3
---
X7CrNiAl177 (1.4568) ungestrahltt
3
3
2
3
---
Tabelle 1: Versuchsprogramm der durchgeführten und ausgewerteten Schwingversuche
(Wöhlerlinien) für mindestens 2 bzw. 3 Unterspannungs-Niveaus
Außerdem wurden weitere Wöhlerlinien für die vergleichende Bewertung von kugelgestrahlten und
nicht kugelgestrahlten Federn sowie für geometrisch gleiche Federn aus verschiedenen WerkstoffChargen ermittelt. Insgesamt wurden deutlich mehr als 100 Schwingversuche (komplette
Maschinenbelegungen) mit mehreren Tausend Federn durchgeführt und statistisch ausgewertet.
Aus den einzelnen Versuchsläufen erhält man durch statistische Auswertung der Ergebnisse
zunächst Wöhlerlinien für die Überlebenswahrscheinlichkeiten 10, 50 und 90 %, gültig für die jeweils
untersuchte Unterspannung. Trägt man diese Dauerfestigkeitswerte in der bekannten GoodmanDarstellung über der Unterspannung auf, so erhält man für eine untersuchte Variante das
Goodman-Diagramm.
Relaxationsversuche bei Temperaturen von 40°C bis 240°C mit verschiedenen
Ausgangsspannungen der Federn, deren Ergebnisse in entsprechenden Relaxationsschaubildern
dargestellt werden. Das Versuchsprogramm „Relaxation“ (Tabelle 2) enthält insgesamt 272
Varianten, die jeweils 10 Einzelfedern umfassen.
Versuchswerkstoff
Drahtdurch-messer
in mm
Wickelverhältnis w
Temperaturen in°C
Schubspannung vor
Relaxationsbeginn
Anzahl der
Varianten
DM
1, 2, 3, 5 und 8
6
40, 80
400, 600, 800, 1000
40
DM
3 und 5
4
40, 80
400, 600, 800, 1000
16
DH
1, 2, 3, 5 und 8
6
40, 80
400, 600, 800, 1000
40
TDSiCr
1, 2, 3, 5 und 8
6
80, 160
400, 600, 800, 1000
40
TDSiCr
3 und 5
4
80, 160
400, 600, 800, 1000
16
1.4310
1, 2, 3 und 5
6
80, 120, 160
400, 600, 800, 1000
48
1.4568
1, 2, 3 und 5
6
80, 160, 240
400, 600, 800, 1000
48
1.4568
3 und 5
4
80, 160, 240
400, 600, 800, 1000
Anzahl der zu untersuchenden Varianten insgesamt :
Tabelle 2: Versuchsprogramm für die Relaxationsversuche mit 10 Prüffedern je
Parameterkombination
24
272
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Für die Messungen der Federlängen und – kräfte vor und nach der Temperaturauslagerung wurde
eine im Rahmen des Vorhabens beschaffte Federprüfmaschine SF 500 der Firma Instron-Wolpert
eingesetzt.
Für den benutzten Ofen wurden Aufheiz- und Abkühlverläufe ermittelt. Diese ergeben eine IstTemperatur von 162,5° C bei Soll-Temperatur 160° C unabhängig vom Ort der
Temperaturmessung. Die Aufheizphase des auf 160°C vorgeheizten Ofens nach voller Beladung
mit Verspannvorrichtungen beträgt 2 h. Die Abkühlphase des voll bestückten Ofens nach
Abschalten bei 160°C bei geschlossener Tür wurde ebenfalls ermittelt.
Ergebnisse der Dauerschwingversuche (Dauerfestigkeitsschaubilder)
In den folgenden Bildern 1 bis 3 sind die Versuchsergebnisse beispielhaft für Schraubenfedern aus
den Werkstoffen VDSiCr, DH und 1.4568 für alle untersuchte Drahtdurchmesser dargestellt, wobei
lediglich die Dauerhubfestigkeitswerte für 90 % Überlebenswahrscheinlichkeit aufgetragen und der
DIN 2089 gegenübergestellt sind. Wegen der Übersichtlichkeit ist auch nur die Linie für 0,6 x Rm bei
den Werkstoffen VDSiCr, TDSiCr und 1.4568 als obere Begrenzung der Schaubilder eingezeichnet.
In Anbetracht der Ergebnisse der Dauerschwingversuche und besonderer Versuche zur Ermittlung
des Setzverhaltens unter schwingender Beanspruchung bei hoher Unterspannung erscheint die
Anhebung der Obergrenze des Goodman-Diagrammes von bisher τkO =0,5 x Rm auf τkO =0,6 x Rm
zumindest für VDSiCr, TDSiCr und 1.4568 gerechtfertigt.
Die höchsten Dauerhubfestigkeitswerte erreichen kugelgestrahlte Federn aus dem Werkstoff
VDSiCr (in der Reihenfolge d=2, 3, 1, 5 und 8 mm). Die Dauerhubfestigkeitswerte für
kugelgestrahlte Federn aus dem Werkstoff TDSiCr sind etwas niedriger als die von VDSiCr. Die
Dauerhubfestigkeitswerte der kugelgestrahlten Federn aus DM und DH unterscheiden sich
praktisch nicht voneinander. Die Dauerhubfestigkeitswerte der ungestrahlten Federn aus 1.4568
sind erwartungsgemäß deutlich niedriger als die der kugelgestrahlten Federn aus
ölschlussvergüteten oder patentiert gezogenen Drähten und entsprechend ihrem Durchmesser
gestuft. Die Dauerhubfestigkeitswerte der ungestrahlten Federn aus 1.4310 sind noch etwas kleiner
als die der Federn aus 1.4568 und entsprechend ihrem Durchmesser gestuft.
1600
DH kugelgestrahlt
Oberspannung τkO [N/mm²]
1400
TkO für Pü=90 % d=1mm
C, Dk1 n. DIN 2089
1200
TkO für Pü=90 % d=2mm
1000
C, Dk2 n. DIN 2089
TkO für Pü=90 % d=3mm
800
C, Dk3 n. DIN 2089
TkO für Pü=90 % d=5mm
600
C, Dk5 n. DIN 2089
0,5xRm für d=1mm
400
0,5xRm für d=2mm
200
0,5xRm für d=3mm
0,5xRm für d=5mm
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Unterspannung τkU [N/mm²]
Bild 1: Goodman-Diagramm für kugelgestrahlte Schraubendruckfedern mit d= 1 mm bis d = 8 mm
aus ölschlussvergütetem Ventilfederstahldraht VDSiCr (Grenzschwingspielzahl 107 Zyklen)
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1600
VDSiCr kugelgestrahlt
TkO für Pü=90 % d=1mm
VD k 1 mm nach DIN 2089
TkO für Pü=90 % d=2mm
VD k 2 mm nach DIN 2089
TkO für Pü=90 % d=3mm
VD k 3 mm nach DIN 2089
TkO für Pü=90 % d=5mm
VD k 5 mm nach DIN 2089
TkO für Pü=90 % d=8mm
VD k 8 mm nach DIN 2089
0,6xRm für d=1mm
0,6xRm für d=2mm
0,6xRm für d=3mm
0,6xRm für d=5mm
0,6xRm für d=8mm
Oberspannung τkO [N/mm²]
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
Unterspannung τkU [N/mm²]
Bild 2: Goodman-Diagramm für kugelgestrahlte Schraubendruckfedern mit d= 1 mm bis d = 5 mm
aus patentiert-kaltgezogenem Federstahldraht hoher Festigkeit DH
(Grenzschwingspielzahl 107 Zyklen)
1600
1.4568
nicht kugelgestrahlt
Oberspannung τkO [N/mm²]
1400
TkO für Pü=90 % d=1mm
1200
1.4568 1 u n. DIN 2089
1000
TkO für Pü=90 % d=2mm
1.4568 2 u n. DIN 2089
800
TkO für Pü=90 % d=3mm
1.4568 3 u n. DIN 2089
600
TkO für Pü=90 % d=5mm
1.4568 5 u n. DIN 2089
400
0,6xRm für d=1mm
0,6xRm für d=2mm
200
0,6xRm für d=3mm
0,6xRm für d=5mm
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Unterspannung τkU [N/mm²]
Bild 3: Goodman-Diagramm für nicht kugelgestrahlte Schraubendruckfedern mit d = 1 mm bis d =
5 mm aus nichtrostendem Federstahldraht 1.4568 (Grenzschwingspielzahl: 107 Zyklen)
Die experimentell ermittelten Dauerhubfestigkeitswerte bei 90 % Überlebenswahrscheinlichkeit bis
zu einer Grenzschwingspielzahl von 107 Zyklen liegen für alle untersuchten Werkstoffe höher als die
in DIN 2089 angegebenen, und zwar bei
VDSiCr und TDSiCr um etwa 300 bis 400 N/mm² ,
DH und DM
um etwa 200 bis 350 N/mm² ,
1.4568
um etwa 80 bis 100 N/mm² und bei
1.4310
um etwa 50 N/mm² .
Zusammen mit der möglich und gerechtfertigt erscheinenden Anhebung der Obergrenze der
Goodman-Diagramme ergibt sich daraus eine erhebliche Steigerung der Beanspruchbarkeit für
Schraubendruckfedern aus den entsprechenden Federstahldrähten.
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Ergebnisse der Relaxationsversuche (Relaxationsschaubilder)
Auf Wunsch des projektbegleitenden Arbeitskreises wurden die Relaxationsergebnisse als
Maximalwerte dargestellt, da sich der Anwender an diesem Größtwert orientiert. Bei der
vergleichenden Betrachtung der Versuchsergebnisse mit den Angaben in DIN 2089 ist dies ebenso
zu berücksichtigen wie die Tatsache, dass die Versuchsfedern überwiegend kugelgestrahlt waren,
während die Richtwerte der DIN 2089 ausdrücklich für ungestrahlte Federn gelten, wobei nicht
festzustellen ist, ob es sich um Mittel- oder Maximalwerte handelt.
Bei der Bewertung der Relaxationsergebnisse sind folgende Beobachtungen zu berücksichtigen:
Bereits ab einer Schubspannung von 800 N/mm² werden die Versuchsfedern (außer d = 1mm)
etwas schief, so dass die hier ermittelten Relaxationswerte aufgrund horizontaler Kraftkomponenten
fragwürdig sind. Außerdem führt in diesen Fällen ein Umdrehen der Federn bereits zu anderen
Messwerten.
In einigen Fällen liegt die Schubspannung 1000 N/mm² im Blockbereich der Federn. Dies führt bei
den Federn aus 1.4310 durchgängig zu nicht plausiblen und z.T. großen negativen Werten. Auch
bei dem Vergleich zwischen DM und DH führt dies zu Fehlinterpretationen, weil DM sich stärker
setzt und damit weiter im Blockbereich liegt als DH, was hier zu scheinbar geringeren
Relaxationsbeträgen für DM führt !
Insgesamt ergab sich aus den Relaxationsversuchen der Eindruck, dass der Einfluss des
Drahtdurch-messers von 1 bis 6 mm (und damit der tatsächlichen Festigkeit) innerhalb einer
Werkstoffgruppe gerin-ger ausfällt als nach DIN 2089 zu erwarten. Dafür wirken sich die
Temperaturstufen deutlicher aus.
Die Bilder 4 und 5 zeigen beispielhaft Relaxationsschaubilder, in denen die Ergebnisse innerhalb
eines Werkstoffes für mehrere Drahtdurchmesser bei zwei Temperaturen vergleichend dargestellt
sind.
Trotz einiger Probleme und Einschränkungen bei der Ermittlung der Relaxationswerte zeigt sich,
dass die in den Versuchen erhaltenen maximalen Relaxationsbeträge aus je 10 Federn im Bereich
der Relaxationsschaubilder der DIN 2089 liegen.
Bild 4: Relaxationsschaubild für SchraubenBild 5: Relaxationsschaubild für Schraubendruckfedern aus TDSiCr bei 80 und 160°C
druckfedern aus DM bei 40 und 80°C
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Zusammenfassung der Erkenntnisse – Praktischer Nutzen
Die erzielten Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, dass die Dauerhubfestigkeit von
Schraubendruckfedern aus den heute gängigen Werkstoffen z. T. deutlich oberhalb der in der DIN
2089 angegebenen Richtwerte liegt. Außerdem belegen die Ergebnisse die Möglichkeit, die obere
Grenze der Dauerfestigkeitsdiagramme für einige Werkstoffe von derzeit 0,5 x Rm auf 0,6 x Rm
anzuheben. Gleichzeitig wird durch die Relaxationsergebnisse deutlich, dass die Maximalwerte
kugelsgestrahlter Schraubendruckfedern im Bereich der bisherigen Relaxationsschaubilder der DIN
2089 liegen. Damit ergibt sich ein erhebliches Potenzial an mehr ausnutzbarer Beanspruchbarkeit
der Federn.
Dadurch ergeben sich Möglichkeiten zur Einsparung von Material und Materialkosten für die
deutschen Hersteller von kaltgeformten Federn, die alle zu der Gruppe der kleinen und mittleren
Unternehmen zählen, und zur Verringerung volkswirtschaftlicher Verluste durch Versagensfälle,
Regressforderungen und Produkthaftungskosten.
Quellen
Abschlußbericht: „Ermittlung von Dauerfestigkeits- und Relaxationsschaubildern für
hochbeanspruchte Schraubendruckfedern“ über FSV erhältlich
Veröffentlichungen:
B. Kaiser: Dauerfestigkeitsschaubilder für hochbeanspruchte Schraubendruckfedern. Draht 4/2002,
S. 48/ 53
B. Kaiser: Ermittlung von Relaxationssschaubildern für hochbeanspruchte Schraubendruckfedern.
Draht 6/2002, S. 34/ 37
Auswahl von Quellen zu diesem Thema:
/31/
A. Bläsius, M. Jakob, S. Groß : Neue Entwicklungen bei Federstählen für
hochbeanspruchte Fahrzeugtragfedern. In : siehe /16/, S. 121/132.
/32/
G. Barthold, F. Rakoski : Neue werkstoffliche Entwicklungen beim Ventilfederstahl.
In : siehe /16/, S. 133/132.
/33/
T. Postma : Hohe Anforderungen. Neue Entwicklungen bei Ventilfederstahl.
Drahtwelt 6 (1993), S. 22/24.
/34/
T.H. Muhr : New Technologies for Engine Valve Springs. SAE Technical Paper
Series 930 912, 1993
/35/
M. O´Malley, M.P. Hayes : Der Einfluß der Oberflächenqualität
Ermüdungsvermögen von austenitischen Edelstahlfedern. In : siehe /25/.
/36/
W. Lehnert : Umformung - Gefüge - mechanische Eigenschaften hochgekohlter
Stahldrähte für Federn. Draht 44 (1997) Nr. 4 S. 44 / 48
auf
das