Publications without final theses

Metal springs are used extensively in technical products. The mathematical relationships and Goodman diagrams contained in the DIN EN 13906-1 standard form the essential basis for the design and calculation of cylindrical helical compression springs. They are used not only nationally, but internationally in the spring industry and by spring users. However, the diagrams are more than 50 years old and no longer reflect the current status of modern spring materials and spring manufacturing technologies. This results in great uncertainty for users of the standard, which currently has to be compensated by costly fatigue tests. In order to overcome the problems, the research project IGF 19693 aimed to renew the Goodman diagrams of the DIN EN 13906-1 standard in accordance with the state of spring technology. Therefore, the FKM guideline “Analytic Strength Assessment for Springs and Spring Elements“ was used to calculate permissible fatigue strength values for standard springs. Additionally, an extensive experimental program was carried out with fatigue tests on cold-formed helical compression springs to validate the calculations. The main results of the project are presented in this manuscript, which strengthens SMEs in designing competitive springs, which they can offer in a shorter time and at a lower cost due to lower development costs.

This paper deals with the relaxation behavior of helical compression springs made out of different types of spring steel wire. The starting point of the examinations marks the creep and relaxation behavior of similar preprocessed wires prior to the cold forming under torsional stress. In this context the main influencing factors regarding creep deformations and relaxation losses are discussed and the particular findings contrasted, which allows for transfer factors to be deducted. The mathematical models forming the evaluation basis of the experimental data are based upon the NORTON-BAILEY creep law and utilized to determine creep specific characteristics and identify material constants. Doing so enables the deviation of calculating instructions to estimate the relaxation losses of helical compression springs based on numerous influencing factors. Applying those calculation methods facilitates the deduction of relaxation figures as well as recommendations regarding the manufacturing process in order to achieve springs with favorable relaxation behavior.

The paper deals with the finite element simulation of wire drawing processes with focus on unalloyed carbon steels. Based on the development of suitable material models as a basis for the simulation model, the forming processes are analyzed over several drawing stages for different drawing regimes. The simulation model is validated by comparing the simulation results with measured values. For the description of the forming behavior, the damage developments of the wire during the multi-stage forming are specifically analyzed. Subsequently, forming limits are derived by correlating the calculated damage with mechanical parameters of the wires. The validation of the damage models used is made possible by an FE parameter study, within which a targeted variation of the drawing die geometry takes place at a specific drawing stage. The paper is concluded by the verification of the results obtained theoretically by practical tests on a wire drawing machine using critical drawing die geometries.

Für die Auslegung von zyklisch beanspruchten Schraubendruckfedern enthält die Norm DIN EN 13906-1 Goodman-Diagramme mit zulässigen Spannungen. Deren Ermittlung liegt Jahrzehnte zurück, weshalb die Norm im Vergleich zum heutigen Stand der Technik zu Ungenauigkeiten in der Federauslegung führt, die je nach Material größtenteils konservativ, teilweise aber auch kritisch im Betrieb sind. Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden, wurden die zulässigen Spannungen in einem Forschungsvorhaben mithilfe der 2020 erstmals erschienenen FKM-Richtlinie für Federn neu ermittelt, mit Schwingversuchen validiert und anschließend neue Schwingfestigkeitsdiagramme erstellt. Weiterhin wurde eine Übertragung der zulässigen Spannungen in den neuen Diagrammen auf andere, ähnliche Schraubendruckfedern entwickelt. Der Beitrag soll die Ergebnisse des Vorhabens zusammenfassen und einen Eindruck vermitteln, welche Einflüsse auf die Schwingfestigkeit nun berücksichtigt werden können, um mit besser passenden Schaubildern konkurrenzfähige Federn in kürzerer Zeit und mit weniger Versuchsaufwand nach dem aktuellen Stand der Forschung auszulegen.

In einem Ende 2018 abgeschlossenen Forschungsprojekt (IGF 1899BR) wurden mathematische Zusammenhänge für das Kriech- und Relaxationsverhalten von Federstahldrähten und daraus gefertigten Schraubendruckfedern auf Basis von zweitägigen bis maximal zweiwöchigen Versuchen erarbeitet. Darauf aufbauend wurde im Nachgang exemplarisch das Langzeitkriechverhalten (etwa ein Jahr) von Federstahldrähten unter Torsionsbeanspruchung untersucht.

Am Fachgebiet Maschinenelemente der Technischen Universität Ilmenau wurde das Konzept einer neuen Carbon-Evolutfeder für das Bike-Segment erprobt. In einer Studie, durchgeführt von zwei Fahrzeugtechnik-Studenten, wurde eine Metallfeder durch eine Carbon-Feder mit deutlich geringerem Einbaugewicht ersetzt. Der Beitrag von Martin Petrich, Ulf Kletzin, Tom-Luis Weimann und Julius Feld gibt einen Einblick in die wissenschaftliche Arbeit der Federauslegung, der Fertigung und den Einsatz im Bike.

Mehrstufige Drahtumformprozesse stellen die fertigungstechnische Grundlage für technisch anspruchsvolle Bauteile dar. Bei diesen mehrstufigen Prozessen ist die Ermittlung der resultierenden Eigenspannungen sowohl analytisch als auch numerisch bisher nur bedingt möglich. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Bereitstellung einer Methodik zur Bestimmung der optimalen Parameter beim Drahtumformen. Als erstes wird die zur Beschreibung des Umformvorgangs nötige Werkstoffcharakterisierung durchgeführt. Diese Charakterisierung basiert auf Experimenten, die sowohl den BAUSCHINGER-Effekt als auch Ver- und Entfestigungsmechanismen untersuchen und quantifizieren. Darauf aufbauend folgt der zweite Teilbereich, die analytische Beschreibung des mehrstufigen Umformprozesses. Durch Anwendung dieses deskriptiven Algorithmus werden sowohl die (Eigen-)Spannungen als auch die elastischen und plastischen Verformungen zu jedem Zeitpunkt des Umformvorgangs bestimmt. Als dritter Teilbereich werden verschiedene Optimierungsalgorithmen mit unterschiedlichen Zielsetzungen für den deskriptiven Algorithmus vorgestellt.

Behandelt werden die Berechnungsgrundlagen für den Einsatz von Federn aus metallischen Werkstoffen. Das Buch umfasst Wärme- sowie Oberflächenbehandlung, Eigenspannungen und Dauerfestigkeiten, die entscheidend für die Qualität sind. Die Autoren beschreiben auch grundsätzliche Verfahren und Probleme der Federnherstellung. Zahlreiche Anwendungs- und Berechnungsbeispiele ergänzen die Ausführungen. Aktualisiert wurde diese Auflage hinsichtlich der EU- bzw. DIN-Normen sowie der Ausführungen zur Anwendung moderner Berechnungssoftware für den Federentwurf und die Simulation des Betriebsverhaltens von Federn und Federanordnungen. Ebenso werden Ansätze zur FEM-Simulation der Herstellung von Schraubendruckfedern und Ergebnisse zum damit einhergehenden Eigenspannungsaufbau behandelt. Neue und bisher nicht erfasste Federnarten und deren Werkstoffe werden beschrieben. Ergänzt wurde ein Kapitel zu tribologischen Beanspruchungen von Federn. Aus dem Inhalt &hahog; Werkstoffe &hahog; Berechnungsgrundlagen für Einzelfedern &hahog; Entwurf von Federanordnungen &hahog; Konstruktionen mit Federn &hahog; Schwingungsverhalten von Schraubenfedern &hahog; Tribologische Beanspruchungen von Federn &hahog; Rechnereinsatz zum Federentwurf Die Zielgruppen &hahog; Experten in der Federnindustrie &hahog; Ingenieure, die im Bereich der Konstruktion tätig oder die mit der Auswahl geeigneter Lieferanten befasst sind &hahog; Unternehmen, die feinwerktechnische Geräte, Schwingungs- und Werkzeugmaschinen sowie Automatisierungsanlagen herstellen.

Ventilfedern führen im Motorbetrieb außer den funktionsbedingten Längsbewegungen auch Drehbewegungen aus, was zu Verschleiß an den Federauflageflächen und benachbarten Bauteilen führt. Die Drehbewegungen sind aber gewollt, da sie sich auf den Ventilstößel mit Ventilteller übertragen. Dadurch werden die Ventilsitze sauber gehalten, und die thermische Belastung verteilt sich gleichmäßiger über deren Umfang. Das Phänomen der Drehbewegungen ist bisher ungeklärt, weshalb deren Ursachen und Beeinflussungsmöglichkeiten ermittelt werden sollten. Ein erster Schritt zur Klärung des Problems bestand in der Ermittlung der Verdrehung der Federenden zueinander beim statischen Einfedern. Weiterhin fanden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einem Versuchsstand statt, wobei die Drehbewegungen von Feder und Ventilstößel bzw. oberem Federteller als Funktion von Nockenwellendrehzahl und Federvorspannung erfasst wurden. Ein mathematisches Modell lieferte erste theoretische Erkenntnisse zum Entstehen der Drehbewegungen. Weitere Untersuchungen hierzu wurden mit dem Programm SimulationX® durchgeführt. Das verwendete Prinzipmodell besteht aus zwei parallelen Feder-Masse-Systemen, von denen das eine linear, das andere drehend schwingt. Da die Federmasse kontinuierlich über die Feder verteilt ist, wurden von einer Mehrköpersimulation die besten Ergebnisse erwartet, die mit Hilfe des Programms RecurDyn® erfolgt ist. Die Versuche ergaben, dass die Drehbewegungen hauptsächlich von der Federwinderichtung, der Federvorspannung und der Nockenfunktion und Nockenwellendrehzahl abhängen. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigten, dass es sich um sehr komplexe Bewegungen handelt und Resonanzen Ursache der Drehbewegungen sind. Für das Entstehen von Drehbewegungen ist ein Entlasten der Federenden erforderlich, was durch Oberschwingungen der Nockenfunktion, die in der Nähe der Längseigenfrequenzen der Feder liegen, verursacht wird. Außerdem beeinflusst das Verhältnis der Oberschwingungen zu den Dreheigenfrequenzen die Drehbewegungen. Das mathematische Modell zeigt, dass es beim Überschreiten der Resonanzfrequenz zur Richtungsumkehr kommen kann. Die Einflussmöglichkeiten auf die Drehbewegungen von Feder und Ventilstößel sind in Hinweisen für den Konstrukteur zum Entwurf und zur Optimierung von Ventiltrieben zusammengefasst. Eine Vorausberechnung bedarf jedoch noch weiterer Untersuchungen.

Federstahldraht verändert seine Eigenschaften durch die Wärmebehandlung nach dem Federwinden, das Kugelstrahlen und das Vorsetzen. Bei Federband wirkt sich die Walzrichtung massiv auf die Zugfestigkeit und den E-Modul und damit auf die Funktion von Flachbiegeteilen aus. Eine webbasierte Datenbank enthält alle diese Daten.

Increasingly demanding quality requirements for spring steel wire necessitate improvement of all wire manufacturing steps including drawing. In addition to achieving a specified wire diameter, drawing also influences the constancy of geometric properties, strength, and surface of the wire. This paper explains how several wiredrawing parameters have been set to produce improved spring steel wire. Parameters discussed include lubrication, coating, and positioning of drawing dies.

Der vorliegende Beitrag zeigt einen Überblick über die Aktivitäten der Forschungsgruppe "Draht und Federn" der TU Ilmenau auf dem Gebiet der FEMSimulation des Federwindeprozesses. Es wird ein Überblick über bestehende Modelle, deren Parameter und Grenzen, sowie Berechnungsmöglichkeiten gegeben. Dargestellt werden Untersuchungen zum Einfluss der Drahtfestigkeit auf das Windeergebnis, für die Ermittlung einer Näherungsbeziehung zwischen Windestiftstellung und Federdurchmesser mit dem Ziel der Nutzung für die Ausschussminimierung in der Federnfertigung und für die Entwicklung eines Einstellalgorithmus für die Federwindemaschine. Aktuelle FEM-Simulationen an der Forschungsgruppe beschäftigen sich mit der Entstehung von Eigenspannungen in der Federherstellung mit dem Ziel deren Berücksichtigung im Federentwurf zur Erhöhung der Ergebnisqualität.

Improving the control of the quenching and tempering process parameters can enable manufacturers to use a higher line speed in the tempering stage and save energy costs by use of lower austenizing temperatures.

Federn werden als Maschinenelemente in allen Bereichen der Technik zur Erfüllung unterschiedlichster Aufgaben eingesetzt. Hauptsächlich angewendet werden Metallfedern, die im Wesentlichen aus Halbzeugen, wie Draht-, Band- und Stabmaterial hergestellt werden. Ihre Gestalten sind ebenso vielfältig wie ihre Einsatzmöglichkeiten.

Springs have a complex geometry. In operation, large elastic deformations occur. Contacts within the spring, e.g. contacts of coils, and contacts to bordering components have to be taken into account. They all lead to great nonlinearities. Further difficulties are caused by spring natural oscillations in dynamic operations such as higher stress levels, friction, noises as well as lateral movements. The experimental analysis of springs is time-consuming. Therefore numerical simulation programs have been used more and more often. These programs are only usable by calculation engineers, specialy trained in the utilized numeric method and in spring technology. Therefore, with the FEM-spring-processor (FEM=Finite-Element-Method) and the MBS-spring-processor (MBS=Multi-Body Systems) two powerful object-oriented programs were developed, both usable without special knowledge of the numeric methods, with an easy-to-use graphical user-interface. The FEM-spring-processor includes modules for different helical springs, torsion springs, Belleville springs and a feature based branch for easy modelling of complex shaped springs made of wire or strip. Nonlinearities can be computed, results are load curves, stresses and natural frequencies. For the analysis of highly dynamic applications, the additional use of MBS is advised. The MBS-spring-processor includes models for helical compression springs. The paper describes the programs and examples of use.

Für die dynamische Mehrkörpersimulation von Schraubendruckfedern werden nichtlineare Federmodelle auf Basis des Mehrkörpersimulationsprogramms ADAMS hergeleitet und in dessen Oberfläche implementiert. Die Simulationsergebnisse werden an Beispielen erläutert und mit Messergebnissen verifiziert. - Das Verhalten von Schraubenfedern wird wesentlich von nichtlinearen Effekten bestimmt, die mit den üblicherweise angewendeten Methoden nicht erfasst werden können. Damit resultiert die Forderung nach leistungsfähigen Modellen zur räumlichen Berechnung der für Schraubenfedern charakteristischen Größen (Reaktionskräfte, Bewegungs- und Schwingungsverhalten, Spannungszustand). - Daraus resultiert der in der vorliegenden Arbeit präsentierte nichtlineare, dreidimensionale Modellaufbau. Dieser zeichnet sich insbesondere durch die exakte Nachbildung der Federgeometrie und durch die detaillierte Modellierung der Übergangs- und Endwindungen sowie deren kraftschlüssiger Kopplung zu den Federtellern aus. Die diesem Ansatz zugrunde liegende Theorie wird ebenso erläutert wie deren Umsetzung im Programm. - Um die effiziente Nutzung der Modelle einem breiten Anwenderkreis zu ermöglichen, erfolgt die Anpassung der Benutzeroberfläche an den Federentwurfsprozess durch die Entwicklung von Dialogboxen zur automatischen Modellerstellung, Simulation und Ergebnisauswertung. Die Nutzerführung wird an Beispielen erläutert. - Die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Modelle wird durch die experimentelle Überprüfung der Simulationsergebnisse nachgewiesen. Ein zu diesem Zweck konzipierter Prüfstand ermöglicht die dreidimensionale Erfassung der Reaktionskräfte und des Bewegungsverhaltens dynamisch angeregter Schraubendruckfedern. Darüber hinaus ist die Applikation von Dehnungsmessstreifen zur Spannungsmessung möglich. - Die Simulationsergebnisse weisen zum größten Teil eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten auf. Abweichungen ergeben sich durch Unterschiede zwischen den realen Prüfstandsverhältnissen und dem theoretischen Modellaufbau sowie durch die Vernachlässigung der Drahtkrümmung. Darüber hinaus sind meist weder der Schubmodul noch der Eigenspannungszustand des zur Schraubenfeder gewundenen Drahtes genau bekannt. Vorschläge zur Verbesserung der Ergebnisse werden als weiterführende Arbeiten definiert.