Tellerfedern werden als elastische Bauteile in vielfältigen Anwendungen eingesetzt, wobei sie überwiegend hohe Kräfte bei vergleichsweise kleinen Federwegen aufweisen. Wichtig für die Funktionssicherheit der Federn ist die Aufrechterhaltung der Federkennlinie über ihre gesamte Lebensdauer. Dies wird jedoch, wie bei allen hoch vorgespannten Bauteilen, infolge von Relaxations- und Kriechvorgänge unter Temperatur- und Lasteinwirkung erheblich beeinträchtigt. Zurzeit ist das Relaxationsverhalten von Tellerfedern nur wenig erforscht und es fehlen die Datenbasis sowie die Berechnungsmöglichkeit zur Ermittlung der Relaxationswerte für die gängigen Tellerfederabmessungen und -werkstoffe bei den entsprechenden Betriebsbedingungen.

Zur detaillierten Untersuchung des Relaxationsverhaltens von Tellerfedern wurde für die drei häufig verwendeten Federstahlsorten 51CrV4 (1.8159), X7CrNiAl17-7 (1.4568), X22CrMoV12-1 (1.4923) und für die hochwarmfeste Nickel-Basis-Legierung 2.4668 ein umfangreiches Versuchsprogramm aufgestellt. Die Tellerfedern wurden bei gleichem Innen- und Außendurchmesser (25,4 x 50 mm) in drei Dicken (1,25, 2,0 und 3,0 mm), in drei Härtezustände (42, 47, 52 HRC für 51CrV4) und in vier Eigenspannungszuständen (kalt vorgesetzt, kalt vorgesetzt + kugelgestrahlt, warm vorgesetzt sowie warm vorgesetzt + kugelgestrahlt für 51CrV4 und X7CrNiAl17-7) gefertigt. Mit diesen insgesamt 48 unterschiedlichen Versuchsfeder-Varianten wurden Relaxationsversuche bei vier für jeden Werkstoff relevanten Betriebstemperaturen und bei vier Belastungshöhen (25 %, 50 %, 75 % und 90 % des möglichen Tellerfederweges h0) durchgeführt. Die Relaxation der Tellerfedern, die durch die Verminderung der Vorspannkraft bei definiertem Federweg gekennzeichnet ist, wurde nach 1, 10, 100 und 1.000 h ermittelt. Die Ergebnisse der zahlreichen Versuchen werden in Relaxationsschaubildern dargestellt. Es wurden Aufschlüsse über den Einfluss der Wärmebehandlungsparameter und der besonderen Fertigungsschritte (Vorsetzten, Warmvorsetzen, Kugelstrahlen) auf das Relaxationsverhalten abgeleitet. Es zeigte sich, dass das Warmvorsetzten gegenüber dem Kaltvorsetzen zu einer Verminderung der zu erwartenden Relaxation führt. Das Kugelstrahlen bewirkt hingegen eine Zunahme dieser Werte. Anders als beim Vorsetzen, bei dem die eingebrachten Eigenspannungen der späteren Betriebsbelastung entgegenwirken, sind die kugelstrahlbedingten Druckeigenspannungen über die gesamte Oberfläche ohne Korrelation zu den Betriebsspannungen vorhanden. Weiterhin ist festzustellen, dass sich bei niedrigen Temperaturen eine bestimmte Reihenfolge der vier Kurven einstellt, die den vier Eigenspannungszuständen der Tellerfedern entsprechen. Diese bleibt bei höheren Temperaturniveaus erhalten, wobei der Einfluss der Eigenspannungen stärker wird. Eine Verbesserung des Langzeitverhaltens der Tellerfedern unter statischer Last kann durch eine niedrigere Werkstofffestigkeit bzw. Härte erzielt werden.

Begleitend zu den experimentellen Untersuchungen wurden Finite-Elemente-Modelle zur Berechnung der Tellerfederrelaxation unter Berücksichtigung der maßgeblichen fertigungsbedingten Eigenspannungen aus dem Vorsetzen entwickelt. Die hierfür benötigten Werkstoffkennwerte zur Materialmodellierung wurden aus Zugversuchen, Warmzugversuchen und zeitabhängigen Versuchen ermittelt. Für die Simulation des Vorsetzvorganges wurden die numerisch berechneten und experimentell ermittelten Federkräfte bei der jeweiligen Einfederung sowie auch die Eigenspannungsverläufe an der Ober- und Unterseite ausgesuchter Tellerfedervarianten nach dem Vorsetzten verglichen. Zur Verifikation der Relaxationssimulation wurden die experimentellen Ergebnisse aus den Relaxationsversuchen herangezogen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die numerische Simulation das Warm- und Kaltvorsetzen und die daraus resultierenden Eigenspannungen gut abbildet. Die numerisch ermittelte Relaxation zeigte für die betrachteten Varianten (unterschiedliche Werkstoffe, Werkstoffzustände, Belastungshöhen und Eigenspannungszustände infolge des Warm- und Kaltvorsetzens) eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten. Die einzige Ausnahme bildete die Relaxationssimulation für den Werkstoff 51CrV4 der Härte 52 HRC. Die Erklärung dafür liefern weitere experimentelle und numerische Relaxationsuntersuchungen an Blechstreifen unter Vier-Punkt-Biegebelastung. Daraus folgte, dass das ermittelte zeitabhängige Werkstoffverhalten nur zur Materialmodellierung von Bauteilen geeignet ist, die aus derselben Material- und Fertigungscharge hergestellt sind. Die Versuchstellerfedern sind zwar chargenidentisch aber separat von den für die Probenfertigung verwendeten Blechen wärmebehandelt. Sehr gute Ergebnisse der Relaxationsberechnung für den Werkstoff 51CrV4 der Härte 52 HRC wurden mit dem zeitabhängigen Materialmodell für die Härte 47 HRC erzielt, was aufgrund des fast identischen Kriechverhaltens der Proben mit 42 und 47 HRC zugrundegelegt werden konnte.

Schlagwörter: Relaxationsverhalten; Tellerfeder; Werkstoffverhalten; Tellerfederrelaxation

Werkstofftechnik, hrsg. von Prof. Dr.-Ing. Christina Berger