Analyse eines Wellenbruch

[felix]

Hallo Ihr,

vor ein paar Wochen ist mir eine vordere Doppelgelenkwelle abgerissen. Die Fahrsituation war extrem, schön ist das dennoch nicht. Eine neue Welle ist inzwischen wieder eingebaut. Die Welle wurde nah der Bruchstelle reibgeschweißt, um eine doppelte Verzahnung für eine Diffsperre zu erhalten. Das ist ein Schmiedeverfahren was teilweise auch in der Serienfertigung von Doppelgelenkwellen http://de.wikipedia.org/wiki/Schwei%C3% ... i.C3.9Fenv.


Bild in großer Auflösung: http://www.eisenzelt.de/v2/images/stori ... /Stirn.jpg

Bild in großer Auflösung: http://www.eisenzelt.de/v2/images/stori ... /seite.jpg

Meine Interpretation:

1. Das ist ein Gewaltbruch, die Bruchfläche ist nahezu perfekt, es gibt keine "Ruhemarken" wo man erkennen kann, dass sich ein Riss weiter ausgebreitet hat, wie das beim Ermüdungsbruch vor sich geht. Es hat auch ordentlich geknallt, als das abgerissen ist.
An den äußeren 2-4mm ist die Bruchfläche anders, hier ist sie deutlich spröder gebrochen, teilweise ist das Metall leicht gesplittert. Ich meine darin zu erkennen, dass im Bereich des Bruchs die Oberflächenvergütung zumindest noch vorhanden gewesen ist. Also außerhalb der Schweißstelle. Aber wahrscheinlich haben sich in dem Bereich auch die Wellenstummel berührt/gerieben, sodass nicht mehr alles im Originalzustand ist. Teilweise sind die Späne bunt angelaufen, was auf große Reibungshitze hindeuten kann.

2. Spannend ist die Seitenansicht. Hier lässt sich eine scharfe Linie in der geschliffenen Oberfläche erkennen, etwa 1cm vor dem Bruch. Die kann ich mir nicht erklären, vor dem Schleifen war die ganz sicher nicht im Material. Ich meine auch an dem Verlauf der Schleifriefen zu erkennen, das die Welle an der Stelle um ein paar Winkelminuten verdreht ist. Eventuell die Stelle, an der die Welle sonnst als nächstes gebrochen wäre? Rechts von der Linie meine ich auch eine Verformung im Material zu erkennen, ich würde auch sagen dass sich die Welle zum Bruch hin um einige Zehntel verjüngt. (Auf der Seitenansicht lässt sich gut erkennen, dass die Welle auf dem halben cm zum Bruch hin deutlich dünner wird.) Da waren wohl schon rohe Kräfte am Werk. Zwischen dem Bruch und der scharfen Linie vermute ich die Schweißstelle.

Meine Vermutung warum die Welle an genau der Stelle gerissen ist, sind Spannungen im Material auf Grund der Schweißung. Wenn das Gefüge durch die Hitze beim Schweißen beschädigt worden wäre, dann würde ich dort keine gehärtete Oberfläche mehr vermuten.

Nun stellen sich mir ein paar Fragen:
- War die Welle dort stark geschwächt, oder wäre auch eine unbearbeitete Welle mit etwas mehr Gewalt gerissen?
- Und wenn ja, gibt es eine Möglichkeit das Teil zu verbessern, z.B. Spannungsfrei glühen o.Ä.? Mir wurde damals als ich die Wellen habe schweißen lassen von einer zusätzlichen Wärmebehandlung abgeraten.
- Was ist diese scharfe Linie ein cm vor der Bruchstelle?

Gruß,
Felix

P.S: Übrigens bin ich mit dem Bruch noch 70km weit nach Hause gefahren, das Lager der Welle muss beim Tausch eh neu. Nur ab ca. 60km/h kamen Vibrationen auf, sodass ich darunter geblieben bin.
P.P.S: Die Welle auf den Fotos hat einen Durchmesser von 50mm.

[Andy]

Hai Felix,

Sauberer Bruch

Definitiv war es kein Bruch wegen zu großem Drehmoment, dann müsste die Bruchfläche 45 Grad zur Mittellinie liegen.

Hier war eher Biegung im Spiel, nur warum??

oder ggf. Materialfehler??

An den Bildern kann ich jetzt auch nix erkennen??

Die "Riefen" könnten schleifspuren durch deine Heimfahrt sein.

sorry, mehr kann ich als MaschinenbauInschenör auch nicht sagen.

Andy

[felix]

Hallo Andi,

ich widerspreche dir nur ungern, aber ein Torsions-Gewaltbruch sieht genau so aus wie bei meinem Bruch. Vergleiche z.B. das Foto c) auf Seite vier dieser Diss: http://www.qucosa.de/fileadmin/data/quc ... 3-5674.pdf Torsionsbrüche finden nicht im 45°-Winkel statt. Biegung oder Zug als Bruchursache müssten die Welle ganz anders verformt haben.

Die Ursache der Schleifriefen ist völlig klar, die habe ich selbst dort reingeschliffen, um die Welle zu glätten und Kerbwirkung zu verringern. Meine mysteriöse "Riefe" ist keine Kerbe im Material, sie lässt sich mit einem Daumennagel nicht spüren. Außerdem kann die Welle radial nirgends angestoßen sein. Lediglich die Stirnseiten der Wellenstücke können sich kurzfristig bei Lenkbewegungen berührt haben.

MlG,
Felix

[Andy]

Hai,

ich kenne es anders. Bei Torsion hast du immer Schubkräfte am werk.

Es unterscheiden sich aber die Bruchbilder, obe du eine sehr "harte" Welle hast, oder eine "zähe"



Anbei Link einer gebrochenen Antriebswelle:

http://mb124.de/gallery/v/Limo/T_Uwe-30 ... 7.jpg.html


Ist die Welle am Bruch nicht leicht verformt?? Auf dem Foto könnte man meinen, die welle wurde nach unten gedrückt.
Oben Zug, unten gestaucht.

mfg

Andy

PS: nochwas, unter anderem die Unterscheidung zwischen:

Spöder Torsionsgewaltbruch (hier Schräges Bruchbild, mein Hinweis)
Zäher Torsionsgewaltbruch (eher dein Bild)

Link: http://www.tu-dresden.de/mwiwwwz/wsz/do ... nalyse.pdf


Es kommt auf die Materialeigenschaft deiner Welle an. Deine Welle ist wohl erher "zäh". Sieht man nicht, dass die Welle "verdreht" ist.??

[felix]

Hallo Andi,

interessantes Dokument. Im Prinzip entspricht das alles einem "zähen" Gewaltbrucht, nur fehlt die Verformung der Welle. Wenn man die Seitenansich in größerer Auflösung öffnet kann man an Hand der geschliffenen Oberfläche erahnen, dass die Welle etwa einen cm vor der Bruchstelle leicht verdreht ist. Ist aber nur auf dem Foto zu erahnen, mit bloßem Auge ist das schwer. Der Rest der Welle ist nicht verformt, ich habe Riefen in Axialrichtung gefunden, welche schon vor dem Bruch in der Welle gewesen sind und an denen ist keine Verdrehung der Welle zu erkennen.

Die einzige sichtbare Verformung ist, dass sich die Welle zum Bruch hin verjüngt. Was du auf dem Bild mit der roten Linie als Biegung interpretierst, ist genau diese Verjüngung. Sie ist an der Unterseite auf dem Bild schlecht zu erkennen, aber die Verjüngung ist rotationssymmetrisch. Eine Stauchung an einer Unterseite gibt es nicht, es gibt noch nicht einmal eine Unterseite, egal wie ich die die Welle drehe, sie verjüngt sich immer gleich zum Bruch hin.


Diese Verjüngung stellt eine massive Verformung dar. Damit wird vielleicht ein Schuh draus: Im Bereich der Schweißung ist die Welle nicht so hoch vergütet wie das originale Material auf Grund der Hitzeeinwirkung beim Schweißen (Insbesondere in Oberflächennähe, aber genau dort trägt die Welle ja auch am meisten). Deshalb ist die Welle nur auf etwa einem cm Länge in Nähe der Schweißstelle verdreht und dort dann auch zäh gebrochen.

Wenn ich mich nicht ganz irre, so müsste man bei 42CrMo4 aus der Härte des Materials einen ganz guten Rückschluss auf die Zugfestigkeit des Materials machen können (Habe ich mal wo gelesen, muss ich noch mal suchen.) D.h wenn ich die Härte des Materials in Bruchnähe mit der Härte der originalen Welle vergleiche ,müsste ich doch grob abschätzen können, in welchem Maße die Welle an der Schweißstelle geschwächt gewesen ist.

MlG,
Felix

[aw_berthausen]

Irgendwie erinnert mich diese glatte Bruchfläche an das Impulstrennen:
Ich bin ein Link

VG Bert

[holgi4474]

Hallo Felix,

dein Versagensbild ist mir absolut nicht erklärbar. Bei einer Preßschweissverbindung entsteht unmittelbar neben der Schweissung in der WEZ eine Feinkornzone, beim Reibschweissen durch den Schmiedeeffekt beim stauchen sogar eine Zone von besonders feinem Korns was zu einer Festigkeitssteigerung führt. Somit ist der Bruch einer Pressschweissverbindung im Grundmaterial zu erwarten.

Ich habe es auch noch nicht anders erlebt. Immer ist die Bruchstelle bei mir bekannten teilen immer ausserhalb der WEZ gewesen. Allerdings wurde auch immer der Wulst belassen und nicht nachgearbeitet.
Wenn du es genau klären willst sollten metallurgische schliffbilder der Welle aufschluss geben was genau passiert ist.

[roman-911]

hi Felix,

kannst Du noch ein paar worte zum hergang verlieren ?

solche brüche möchte man ja vermeiden und evtl. würde das helfen?

grüsse roman

[lunschi]

Hallo Andi,

ich widerspreche dir nur ungern, aber ein Torsions-Gewaltbruch sieht genau so aus wie bei meinem Bruch. Vergleiche z.B. das Foto c) auf Seite vier dieser Diss: http://www.qucosa.de/fileadmin/data/quc ... 3-5674.pdf Torsionsbrüche finden nicht im 45°-Winkel statt. Biegung oder Zug als Bruchursache müssten die Welle ganz anders verformt haben.

Hier irrt der kluge Leser! Der in der zitierten Promotionsarbeit abgebildete glatte Torsions-Gewaltbruch ist nur deshalb nicht im 45°-Winkel, weil die Welle an einem Absatz gebrochen ist (Kerbe - mehrachsiger Spannungszustand). Die weiteren Bilder zeigen den "normalen" spröden 45°-Torsionsbruch dann ja auch. Da man bei Deinen Fotos nicht sehen kann, wie die Gegenseite der Bruchfläche aussieht, ist in diesem thread notwendigerweise ziemlich viel Spekulation... Als Werkstoffverhalten würde ich bei einer hochvergüteten Antriebswelle eher sprödes Verhalten erwarten.

Ich habe es auch noch nicht anders erlebt. Immer ist die Bruchstelle bei mir bekannten teilen immer ausserhalb der WEZ gewesen. Allerdings wurde auch immer der Wulst belassen und nicht nachgearbeitet.

Vielleicht ist ja auch die Linie links neben dem Bruch die eigentliche Schweßfläche und der Bruch ist dann eben 1 cm daneben passiert?

Gruss

Kai

[felix]

Hmm,

ok, das mit den 45° glaube ich inzwischen. Oder die Welle ist verdreht wie eine Nudel oder irgendwas dazwischen.

@Bert: Die Bilder sehen wirklich ähnlich aus, aber wie soll das von Statten gehen? Die Welle ist 70cm lang und entsprechend elastisch, ein solchen Impuls kann es nicht geben. Die Welle läuft vollkommen geschützt im Achskörper, von der Seite kann da nichts kommen.

@Holger: Auf genau so eine Qualität beim Schweißen habe ich auch gebaut. Dass der Wulst entfernt wird, kann eigentlich nur von Vorteil sein, weil ich würde die Wulst auf Grund der Kerbwirkung immer als Potentielle Schwachstelle ansehen. Außerdem dreht die Maschine die Wulst immer in der selben Spannung mit ab, ist also alles andere als ungewöhnlich.

@Kai: Die Gegenseite des Bruchs sieht genau so aus. Etwa 7cm weiter beginnt die erste Verzahnung auf der Welle. Nur ist das Bauteil zur Zeit in der Uni Dortmund zur Härteprüfung. Es mag sein, dass die Linie die Schweißstelle markiert. Aber sie war auf jeden Fall nicht in der Welle, als ich sie eingebaut habe. Vor Einbau habe ich sie blank geschliffen, da gab es keine Linien. Sie muss auf während der Benutzung der Welle entstanden sein.

@Roman: Festgefahren in einem Baggerloch. Auto arg schief nach links (dort saß die gebrochene Welle). Alle Sperren, Räder auf Grund mehrerer gescheiterter Bergeversuche tief eingegraben. Lenkung gegen die Schräglage gestemmt und dann im 1. Gang Untersetzung zusammen mit einem großen Radlader gekämpft. Bäng - ab war die Welle. Der Deutz wurde dann von einer Caterpillar-D8 geborgen, nun ist der vordere Querträger mit dem Zugmaul etwas schief. Und das, obwohl der Raupenfahrer das konnte und so zärtlich wie möglich gezogen hat. Konsequenz: Mit gesperrter Vorderachse buddeln geht nur Bergauf. Wenn man das Auto vergraben hat, muss klassisches Bergematerial her (Sandbleche oder ne D8), keine vollgesperrten Gewaltakte (die eh nix bringen). Aber mit genug Publikum und ausreichend Stress hilft einem alle Erfahrung nicht gegen die Dummheit...


Allgemein:

Mein Gelenkwellenhändler hat auch die Hände über dem Kopf zusammengeschlagen und gesagt, dass er so etwas noch nie gesehen hat. Die Wellen würden eigentlich immer an den Verzahnungen brechen, nie im freien Material.

Irgendwie werden die Fragen mehr und nicht weniger. War die Schweißung fehlerhaft, z.b. zu kalt durchgeführt? Hätte ich die Welle doch neu vergüten lassen sollen? Gab es auf Grund der Schweißung Spannungen im Material welche die Bruchstelle definiert haben?

MlG,
Felix

[lkw-allrad]

Lenkung gegen die Schräglage gestemmt und dann im 1. Gang Untersetzung zusammen mit einem großen Radlader gekämpft.
Hast Du mal die Kraft berechnet die dort eingleitet wird ???

[lkw-allrad]

Sooone platte Welle seh ich jedes Jahr mehrfach

[McGyver]

Sicher, dass hier die Welle nicht an der Fügefläche gebrochen ist?
Für mich sieht dies jedenfalls auf den eingestellten Bildern so aus.

Gruß Kai

[felix]

Hallo

@Kai: Ja, das wäre auch eine Möglichkeit. Aber wie soll ich mir sicher sein? Ich wüsste nicht, wie ich definieren kann, wo die Schweißnaht gelegen hat. Eventuell hat die Schweißung am äußeren Ring besser gehalten als innen (Mehr Wärme außen beim Reiben?) sodass dieses den komischen Ring auf der Bruchfläche erklärt und es keine Spuren der Oberflächenvergütung sind. Aber das erklärt nicht unbedingt die Verjüngung und auch nicht die komische "Linie" nah des Bruchs.

@Roman: Ich weiß nicht in wieweit sich das überhaupt allgemein vergleichen lässt. Die wenigsten Autos haben eine Vorderachssperre und Außerdem bin ich mir sehr sicher, dass der Bruch mit der Schweißung zusammenhängt, welche normalerweise an den Wellen nicht vorkommt. Ich kenne es eigentlich, dass beim Gewaltbruch die Gelenkkreuze brechen und nicht die Wellen.


Im Zweifel werden ich wohl die Welle komplett anfertigen müssen, wenn sie halten soll. Hat jemand eine gute Fräse und kann damit umgehen?

MlG,
Felix

[Feron]

Im Zweifel werden ich wohl die Welle komplett anfertigen müssen, wenn sie halten soll. Hat jemand eine gute Fräse und kann damit umgehen?

Ist Fertigungszeichnung vorhanden, inkl. Toleranzen, Rauheiten usw.?

[felix]

Hallo,

im Prinzip ja, ein Detail fehlt mir, müsste man irgendwie am Muster austüfteln:

Die ganze Welle sieht man auf der Skizze unten.

- Die Verzahnung am Ende ist eine Kerbzahnverzahnung nach DIN 5481 (50 x 55 Z=40). Ich denke das wird man einem Betrieb übergeben müssen, der für die Herstellung solcher Verzahnungen ausgerüstet ist. Wenn die Passung nicht ganz hinhaut und zu wenig Zähne tragen geht sonnst das Zahnrad im Diff bzw. die Welle kaputt. Die Zähne ließen sich mit einem 60° Wälzfräser und Teilkopf fräsen, aber ich bin halt unsicher, ob man das auf einer universellen Maschine genau genug hinbekommt. Der Betrieb kann das Ding dann sicher auch gleich vergüten, 42CrMo4 wird wohl jeder kennen. Härten innen/außen kann man am gebrochenen Original messen.

- Die Faust: Die Bohrung in der Faust sollte maximal ein Zehntel außerhalb der Mitte der Welle liegen (Den Rest kann man im Zweifel mit den Sprengringen der Lager im Gelenk einstellen). Aber das ist eher eine Aufgabe für das Einmessen der Welle hinterher auf der Drehbank. Ansonsten müssen alle Flächen parallel und im gleichen Abstand zur Wellenmitte liegen. An die Runde Außenfräsung der Faust gibt es keine besonderen Anforderungen.

- Das große Fragezeichen ist die Passung der Bohrung in der Faust. Hier sitzt nachher ein Bolzen ziemlich stramm drin, auf dem die Lager vom Gelenk laufen. Man kann hoffen, dass es eine Einheitsbohrung ist und sich die Passung über den Bolzen definiert, dann ist es einfach. Die Bohrung wird man nach dem Fräsen passend reiben können. Wenn es keine Einheitsbohrung ist, muss man tüfteln und im schlimmsten Fall einen passenden Bolzen anfertigen.

- Vor der Faust sitzt eine Passung für einen Lagerinnenring. Die kann man im SKF-Katalog nachschlagen.

Fragt sich noch, was vor und was nach dem Vergüten gefertigt werden sollte. Ich denke eine Hartbearbeitung ist unnötig aufwändig (Sofern überhaupt möglich). Da sich die Welle mit Raddrehzahl sehr langsam dreht, wäre selbst eine leichte Biegung durch das Vergüten kein Problem, solange man dem Lagersitz etwas Material zugibt und ihn hinterher passend in Richtung schleift. Die Originalwelle hat stellenweise die Form direkt aus dem Gesenk ohne Nachbearbeitung. Aber auf Grund der Faust lässt sich die Welle problemlos hängend vergüten, sodass der Verzug minimal bleiben sollte.

- Und es muss auf der Drehbank ordentlich Späne gemacht werden, wenn man die 100er Welle (für die Faust) auf 50 herunterdreht. Die Fleißaufgabe kann ich aber wahrscheinlich sogar selbst erledigen.

So ungefähr im Groben,
Felix

[Feron]

Solche Serienteile werden vermutlich aus zwei Teile hergestellt, für Einzelstücke ist dies möglicherweise zu teuer, also aus dem Massiven fertigen. Verzahnung würde ich einer spezialisierten Fa. in Auftrag geben, die machen dies täglich. Technisch sehe ich keine Probleme, ist eher eine Kostenfrage. Sind CAD Daten vorhanden (selbst erstellen) kann man übrigens bei Nullserien bereits einiges einsparen.

[bernd170d11]

Hi,
Geh zu einem Werkzeugbau, lass dir ein Angebot machen!

Die hobeln das Ding mit ner CNC Drehbank runter, da brauchst nicht mit der
Hand vormachen!
Die Bohrung in der Faust ist auch total egal, wird gefräst!
Innenmikro messen und basta. Dann hast wenigstens ne saubere Oberfläche!

Lass es Plasma Härten wenn alles fertig ist, dann hast du keinen Verzug, 0,2tief reicht denke so 60hrc sollte dicke reichen!
Die Zähne können sie dir auf ner 5Achsen CNC auch reinmachen, ob es soviel teurer ist wie
Das nochmal in andere Hände zu geben?
Eintouchieren musst das sowieso mal, um zu sehen wie die Verzahnung trägt...

Aber ehrlich, lohnt das?
Was gibt dann den Löffel ab???
Irgendwowirds brechen, und je billiger das Teil desto besser...

[felix]

Hallo,

@Feron: Das Original ist aus einem Teil gefertigt, welches vorab im Gesenk in Form geschmiedet wurde. Die Serien sind dafür groß genug. Deswegen ist es auch so schwierig, das Teil in brauchbarer Festigkeit nach zu konstruieren.

@Bernd: Es geht um die Doppelt verzahnte Welle der Vorderachse. Ich habe mir damals zwei Stück reibschweißen lassen, die 2. ist jetzt eingebaut. Nun bin ich damit letztes Wochenende wieder in der Grube gewesen, im normalen Gebrauch ist die nicht wieder gebrochen, man kann schön mit vier drehenden Rädern Hügel fräsen. (Sonnst hätte ich die Karre auch aufs Feuer getan...)

Ich habe auch noch eine originale Welle, welche nicht verändert wurde. Wenn das auf Reisen bricht, so habe ich doch lieber eine VA ohne Sperre, als eine VA ohne Antrieb. Tausch im Feld ist nicht ganz einfach, wird aber ohne Sandsturm möglich sein, zumal das Fahrzeug auch ohne Montagearbeiten fahrtauglich bleibt, solange 4x2 ausreicht.

Der Nachbau wäre ein mittelfristiges Projekt, wenn es denn mehr Festigkeit als die reibgeschweißte Welle bringt. Daher meine ganzen Fragen, was die Ursache des Bruchs ist, und ob sich das Ding spürbar stabiler bauen lässt, als reibgeschweißte Originalteile.

Es geht nicht um allgemeine Ersatzteilbeschaffung, sondern darum etwas zu bauen, was es original nicht gibt (Sperre schwere Deutz VA) Daher sind wirtschaftliche Betrachtungen eher zweitrangig. Weiter Wellen zu schweißen ist schwierig, weil hierfür eine gewisse Stückzahl notwendig ist, um die Maschinenrüstung/Erprobung (600-1500EUR) zu amortisieren. Außerdem muss man für jede geschweißte Welle eine Doppelgelenkwelle der Vorderachse und eine komplette Hinterachse mit Sperre schlachten, um die notwendigen Teile zu gewinnen, was tendenziell auch recht aufwendig ist. Vor dem Hintergrund ist eine CNC-Fertigung schon wieder interessant. Wobei ich wenig Erfahrung mit so etwas habe und nicht weiß, wo bei der Fertigung hinterher die Probleme liegen (Spannen, Maschinenwechsel u.s.w.)

Du hast natürlich recht, die Halbwellen sind eher als Sollbruchstelle ausgelegt, die sollen meist brechen, bevor es die Zahnräder mit Diff schrottet. Ich habe aber auch schon eine Scania-Hinterachse gesehen, wo mit Sperre der Käfig im Diff gebrochen ist und das meiste im Diff hinterher nur noch Späne war. Das ist dann meist viel mehr Ärger als nur eine Welle.

MlG,
Felix

[bernd170d11]

Hi,
Lass es CNC fertigen, könntest du es außen fertig drehen?
Zur Not könnt ich dir das Dingen reinfräsen.

Musst mal die Abmessungen durchtickern.

[Feron]

Schmieden kommt eigentlich nur für Serien in Frage, sonst vermutlich viel zu teuer, Gebiet kenn ich allerdings zuwenig.

CNC Fertigung sollte eigentlich wie gesagt kein technisches Problem darstellen, einfach eine Preisfrage. Berechnen kann man das Ganze mit FEM usw.

Letzendlich ist u.U. eine sperrbare Achse vom Schrotti samt Anpassung der Anschlussteile günstiger denn einzelangefertigte Präzisionsteile sind oft erstaunlich teuer.