Entwicklung einer Methodik für die Steigerung der Torsionsfestigkeit von Antriebswellen mit Querbohrung (Wellenbohrung)

Steckbrief

Eckdaten

Laufzeit:
01.11.2019 bis 31.12.2021
Organisationseinheit:
Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren, Umformende Fertigungsverfahren
Fördergeber:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. AiF
Status:
Laufend

Forschungspartner

  • Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Kontakt

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+49 241 80 27428

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Im Antriebsstrang von PKWs mit Verbrennungsmotoren sind Wellen, wie z.B. An- und Abtriebswellen in Getrieben, aber auch Kurbelwellen, mit typischen Querbohrungsdurchmessern zwischen 3 mm und 5 mm zur Ölversorgung der Lager erforderlich. Unter zyklischer Torsionsbelastung sind diese Bohrungen die versagenskritischen Bereiche der Welle.

Die Schwingfestigkeit ist in den meisten Anwendungsfällen das Bemessungskriterium für Wellen. Da die Wellen häufig Querbohrungen benötigen, sind diese die in Bezug auf die Schwingfestigkeit kritische Bereiche. Mittels Randzonenbehandlung ist eine Erhöhung der Schwingfestigkeit um den Faktor fünf möglich. Aktuell wird die schwingfestigkeitssteigernde Wirkung von mechanischen Randzonenbehandlungen der Querbohrungen für jeden Anwendungsfall experimentell bestimmt werden. Diese teuren und aufwendigen Versuche sind notwendig, da keine zuverlässigen numerischen oder analytischen Bemessungskonzepte für die Auslegung von Wellen mit oberflächenverfestigten Querbohrungen existieren. Insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen stellt sich die Bauteilauslegung deshalb als äußert kostspielig dar. Die Festigkeitsbewertung erfolgt entweder auf Grundlage von teuren Experimenten oder es wird auf Oberflächenbehandlungsverfahren verzichtet und damit Leichtbau- und Einsparpotential verschenkt. Zur Steigerung der Schwingfestigkeit solcher Wellen mit Querbohrungen werden im Rahmen dieses Vorhabens daher zwei mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren, das Innenfestwalzen und das Mikrostrahlen, untersucht. Die Wirkungsweise dieser Verfahren basiert, wie beim Festwalzen von Radien, auf der Einbringung von Druckeigenspannungen im oberflächennahen Randzonenbereich.

Mittels des Forschungsvorhabens wird das Potenzial der mechanischen Randzonenbehandlung von Querbohrungen in Wellen mittels Mikrostrahlen und Innenfestwalzen im Hinblick auf die Schwingfestigkeitssteigerung aufgezeigt. Weiterhin wird durch ein in diesem Vorhaben zu entwickelndes Berechnungsverfahren auf Basis von Finite-Elemente-Simulationen die Vorhersage von Bauteileigenschaften und damit die Bewertung der Schwingfestigkeit möglich.

Die zu erwartenden Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens können

  • zur besseren Werkstoffausnutzung,
  • zur zuverlässigeren Dimensionierung,
  • zur kosten-, zeit- und ressourceneffizienten Produktentwicklung durch die rechnergestützte Bewertungsmethode und
  • zur Gewährleistung eines betriebssicheren Einsatzes

von Antriebswellen genutzt werden.