Kitkaväsyminen akselien kutistusliitoksissa

• Main Author: Juuma, T. (Teuvo)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2001
• Subjects: friction coefficient; slip amplitude; torsional fatigue strength; tribology; kitkakerroin; liukuma-amplitudi; tribologia; vääntöväsymislujuus
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9514265033; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9514265033

Abstract Fretting is present where the contacting surfaces of mechanical parts are subjected to rubbing and an alternating stress, resulting in fatigue in the material. This is the situation between the hub and shaft in a shrink-fitted assembly. In practice, fretting is found in the same assembly with normal fatigue, and it occurs in the axle in a shrink-fit between an axle and a hub, while normal fatigue cracks are found outside the assembly. Fretting phenomena have been investigated by many authors in laboratories, but the dimensioning criteria for shrink-fit assemblies are insufficient for the construction engineer. Fretting causes a considerable reduction in the fatigue strength of a shrink-fit assembly, and failures caused by fretting are as numerous as failures resulting from normal fatigue. The purpose of this investigation was to examine the effect of hub material, contact pressure, slip amplitude and shaft geometry on fatigue strength. The goal of this investigation was to determine an optimal contact pressure and a favourable fillet radius and axle diameter ratio at which fretting failure can be avoided and maximum normal fatigue strength will be obtained. The torsional fatigue strength of shrink-fitted shaft couplings was estimated using tests that varied the material of the hub, the contact pressure, the geometry of the shaft and the torsional stress amplitude of the shrink-fitted assembly. Based on the information obtained from the test, aluminium as a hub material appears to produce little damage to a steel shaft, whereas bronze appears to cause damage and fatigue. Cast iron and steel caused a medium amount of damage. To increase contact pressure at the shoulder, hub overhang past the shoulder was used. These experiments showed that increasing the contact pressure decreased the slip amplitude, thereby reducing fretting. With low contact pressure, shaft fracturing began from fretting fatigue inside the hub, but with high contact pressure the shaft fractured at the fillet due to normal fatigue. Selecting the fillet radius according to the contact pressure makes it possible to dimension the shrink-fit shaft assembly to prevent fretting. The shrink-fitted shaft should be designed according to the normal fatigue limit, because fretting fatigue may occur when the number of load cycles exceeds 2×107. Fretting can be prevented by using a sufficiently high contact pressure and by choosing optimal ratios for the fillet radius and the diameter. To avoid fretting, the slip amplitude should be under 3 μm. This is achieved by using a contact pressure of over 100 N/mm2, calculated according to Lamé's theory. A method for dimensioning a shrink-fitted shaft with respect to fretting fatigue was presented based on a specific geometry (Ø 50 mm) and the materials used in the tests. The method was applied in verifying the fretting fatigue of a shrink-fitted shaft with a diameter of 300 mm. === Tiivistelmä Kitkaväsyminen esiintyy yleisesti, kun koneenosien kontaktipintoihin kohdistuu edestakainen jännitysamplitudi hankaavan liikkeen lisäksi johtaen materiaalin väsymiseen. Tällainen tilanne vallitsee navan ja akselin välissä kutistusliitoksessa. Kitkaväsyminen esiintyy käytännössä samassa kutistusliitoksessa kuin normaali väsyminenkin ja se ilmenee navan ja akselin välissä yleensä akselissa, kun taas tavanomainen väsyminen tapahtuu akselissa liitoksen ulkopuolella. Kitkaväsymistä on tutkittu paljonkin, mutta kutistusliitoksen mitoituskriteerit kitkaväsymisen osalta ovat puutteelliset. Kitkaväsyminen aiheuttaa merkittävän väsymislujuuden heikkenemisen sekä täten väsymisiän alenemisen kutistusliitoksessa ja sen aiheuttamat vauriot ovat määrältään samaa luokkaa tavanomaisen väsymisen kanssa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää napamateriaalin, liitospaineen, liukuma-amplitudin ja geometrian vaikutus väsymislujuuteen. Tavoitteena oli määrittää optimaalinen liitospaine sekä sopivat olakkeen pyöristyssäde ja akselisuhde, jotta kitkaväsyminen voidaan välttää ja saavuttaa maksimaalinen normaali väsymislujuus. Kitkaväsymislujuutta väännön suhteen testattiin varioimalla napamateriaalia, liitospainetta, geometriaa ja jännitysamplitudia. Testien perusteella alumiininen napamateriaali sopi hyvin teräsakselin kanssa, kun taas pronssi aiheutti akseliin pintavaurion ja sitä kautta väsymisilmiön. Teräs- ja valurautanapa olivat näiden kahden materiaalin välissä. Liitospaineen nostamiseksi olakkeen reunalla käytettiin navan ylitystä olakkeen yli. Kokeet osoittivat kitkaväsymisen vähenevän korkeammilla liitospaineilla liukuman aletessa. Alhaisella liitospaineella akselin vaurioituminen alkoi kitkaväsymisenä navan sisältä, mutta hyvin korkealla liitospaineella murtuminen tapahtui olakkeesta tavanomaisena väsymisenä. Valitsemalla pyöristyssäde liitospaineen perusteella kutistusliitos on mitoitettavissa kitkaväsymistä vastaan. Kutistusliitos tulisi mitoittaa tavanomaisen väsymisen mukaan, koska kitkaväsymismurtuma voi tapahtua kuormanvaihtoluvulla yli 2×07. Kitkaväsyminen on ehkäistävissä käyttämällä riittävän korkeata liitospainetta sekä sopivaa olakkeen pyöristyssädettä yhdistyneenä oikeaan akselisuhteeseen. Kitkaväsyminen estyy kun liukuma-amplitudi on alle 3 μm. Tämä on saavutettavissa liitospaineella yli 100 N/mm2 laskettuna Lamén teorian mukaan. Tutkimuksessa on esitetty mitoitusmenetelmä kitkaväsymisen suhteen perustuen Ø 50 mm akselilla sekä käytetyillä materiaaleilla tehtyihin testeihin. Menetelmää on sovellettu kitkaväsymisen tarkasteluun kutistusliitokseen, jonka akselin halkaisija on 300 mm.