Forschungsberichte

Anti-Fretting-Coatings II

FVA 624 II, IGF-Nr. 17537 BR

Beanspruchungsgerechte Auslegung von Anti-Fretting-Coatings unter Zuhilfenahme der FEM am Beispiel einer WNV mit Pressverband

Entwicklung eines Bewertungsverfahrens zur beanspruchungsgerechten Auslegung, Auswahl und Optimierung von Anti-Fretting-Coatings

Im Projekt wurden Grundlagenuntersuchungen zum Frettingverhalten an Anti-Fretting-Coatings durchgeführt und basierend darauf eine Auslegungsmethode für Abhilfemaßnahmen gegen Schwingungsverschleiß konzipiert.

Unter Schwingungsverschleiß (in engl. „fretting wear“) werden dabei die tribologischen Vorgänge in der Kontaktfuge infolge einer oszillierenden relativen Mikrobewegung unter einer Normalkraftbelastung verstanden.

Die Untersuchungen gliedern sich in die Bereiche „Reibwert & Reibarbeit“, „Festigkeitseinfluss & Verifikation“ sowie „Auslegungskonzept & Simulation“. Die Reibwertuntersuchungen mit einem standardisierten Torsionsprüfverfahren (Stirnflächenkontakt) dienten zur Ermittlung der zeitlich tribologischen Veränderung des Systems infolge einer gewählten Anti-Fretting-Maßnahme. Die Proben wurden stirnseitig mit einem Fugendruck zwischen 12..100 MPa verspannt und auf Torsi-on wechselnd mit einer Schlupfamplitude von 10..100 µm beansprucht. Dabei wurden optische Schädigungsformen (Passungsrost etc.) und festigkeitsrelevante Vorgänge (Schädigung des Substrats) sowie Reibwertverläufe über der spezifischen akkumulierten Reibarbeit erfasst. 

Zur Ermittlung des Festigkeitseinflusses einer Abhilfemaßnahme wurden Pressverbindungen im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich mit einem konstanten Drehmoment belastet. Eine untersuchte Beschichtung führte bei gleich bleibender äußerer Belastung zur verlängerten Lebensdauer der Verbindung in Bezug auf die unbeschichtete Referenz.

Auf Basis aller Versuchsergebnisse ist aus Festigkeitsgründen eine Beschichtung der Wellen mit Chromcarbid positiv hervorzuheben. Hinsichtlich der optischen Schädigung von planen Kontakt-flächen konnten der geprüfte Gleitlack sowie eine Montagepaste überzeugen.

Unter der Annahme, dass eine Beschichtung unabhängig vom Belastungszustand nach der Dissipation einer bestimmten Reibarbeit versagt, wird ein Auslegungskonzept vorgestellt, welches mithilfe der akkumulierten Reibarbeit die Lebensdauer für Bauteilverbindungen mit Anti-Fretting-Coatings ermittelt. Durch eine Linearisierung des Reibwertverlaufes über der Reibarbeit wird die Grundlage geschaffen, das Verhalten einer Beschichtung in der Bauteilverbindung nachzubilden. Dazu wird ein neu entwickeltes Programm eingesetzt, welches mit einer begrenzten Anzahl an FE-Rechnungen eine Querpressverbindung mit Beschichtung und abschnittsweise konstanten bzw. logarithmisch-linearisierten Reibwertverlauf simuliert.  

Eine Validierung mit sehr guter Über-einstimmung erfolgte anhand einer real geprüften Querpressverbindung mit DLC-Beschichtung. Hierbei wurde die messbare Verschleißtiefe in der Wirkfuge mit dem Simulationsergebnis vergli-chen.

Mit den vorliegenden Ergebnissen ist eine Grundlage geschaffen, um mit der akkumulierten Reibarbeit als Bewertungskriterium eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Anti-Fretting-Coatings zu realisieren.

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