Influence of Residual Stresses Introduced by Manufacturing Processes on Bearing Endurance Time

Pape, Florian; Neubauer, Timo; Maiß, Oliver; Denkena, Berend; Poll, Gerhard

doi:10.1007/s11249-017-0855-3

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“…For the hybrid bearing bushing, the fatigue life increased with the steel layer thickness to an extent that depended on external loads and material properties. The additional influence of residual stresses on bearing fatigue life was investigated in previous studies, which supported the hypothesis of an extension of fatigue life by means of a beneficial residual stress state [29][30][31]. The slope of the fatigue life curve changed more (referred to as "sensitivity" in this paper), when the axial force was lower, and residual stresses were taken into account.…”

Section: Resultssupporting

confidence: 72%

Simulation of a Steel-Aluminum Composite Material Subjected to Rolling Contact Fatigue

et al. 2019

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Rolling bearings are frequently used machine elements in mechanical assemblies to connect rotating parts. Resource efficiency and reliability enhancement are considered to be important factors of rolling bearing development. One of the ways to meet these requirements is the tailored forming (TF) technology, which enables the functionalization of several metal layer composites in a single component. The so-called hybrid machine elements can be produced by co-extrusion of aluminum and steel and subsequent die forging, heat treatment, and machining. The TF rolling bearings made by this process can provide optimized characteristics that use aluminum to reduce weight and steel for a highly loaded contact zone between a rolling element and a bearing raceway. To evaluate the applicability and the potential of this technology, theoretical investigations are presented in this paper. The stress distribution under fully flooded conditions, caused by an external load in the contact between a rolling element and the TF outer ring of an angular contact ball bearing, is analyzed statically with the finite element method. The fatigue life of the TF component can be calculated for different external axial loads and manufacturing parameters, such as steel-to-aluminum volume ratios and osculation. As a damage model, the Ioannides and Harris fatigue model and the Dang Van multiaxial fatigue criterion were used. The results show that the fatigue life has high sensitivity to the steel-to-aluminum volume ratio. For the hybrid component with a steel layer thickness of 3 mm, 90 percent of the fatigue life of pure 100Cr6 steel bearing bushings is reached. In this FE model, residual stresses due to machining processes can be regarded as an initial state, which can increase the fatigue life of this TF machine component.

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Section: Resultssupporting

confidence: 72%

Simulation of a Steel-Aluminum Composite Material Subjected to Rolling Contact Fatigue

et al. 2019

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“…Untersuchungen von Löhe et al zeigen dagegen, dass die Ermüdungslebensdauer von Proben in zyklischen Biegeversuchen durch Druckeigenspannungen, welche mit Oberflächenbehandlungsverfahren wie Kugelstrahlen erzeugt wurden, deutlich erhöht werden kann [3]. In der Arbeit von Pape et al wird das Potenzial von fertigungstechnisch erzeugten Druckeigenspannungen zur Verzögerung von ermüdungsbedingten Lagerausfällen belegt [4]. Im Allgemeinen sind daher in hochbeanspruchten Bauteilbereichen Druckeigenspannungen möglichst parallel zur höchsten Zugspannung -welche infolge äußerer Lasten auftreten können und rissöffnend wirken -anzustreben.…”

Section: Aktuelle Potenziale Zur Eigenspannungsbeeinflussung In Schmiedebauteilenunclassified

“…Abb 4. Aufbau und Verknüpfung des mehrskaligen Simulationsmodells mit dem einskaligen Simulationsmodell inklusive der verwendeten Rahmenbedingungen[22] raturabhängigen, phasenspezifischen Materialparametern, siehe[11], und integriert umwandlungsinduzierte Verzerrungen.…”

unclassified

Numerische Prozessauslegung zur gezielten Eigenspannungseinstellung in warmmassivumgeformten Bauteilen unter Berücksichtigung von Makro- und Mikroskala

Behrens

Schröder

Brands

et al. 2021

Forsch Ingenieurwes

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ZusammenfassungZiel dieser Arbeit ist die Einstellung eines vorteilhaften Druckeigenspannungsprofils in warmumgeformten Bauteilen durch intelligente Prozessführung mit angepasster Abkühlung aus der Schmiedewärme. Die Machbarkeit und das Potenzial werden an einem Warmumformprozess, bei dem zylindrische Proben mit exzentrischer Bohrung bei 1000 °C umgeformt und anschließend aus der Schmiedewärme im Wasser abgekühlt werden, aufgezeigt. Vorige Arbeiten zeigen, dass sich Zugeigenspannungen in den derartig umgeformten Proben aus dem Material 1.3505 einstellen. Mittels der vorgestellten mehrskaligen FE-Modelle, wird in dieser Arbeit eine alternative Prozessvariante analysiert, mit der vorteilhafte Druckeigenspannungen anstelle von Zugeigenspannungen durch eine angepasste Abkühlung aus der Umformwärme in den Proben erzeugt werden können. Die angepasste Kühlung wird durch eine partielle Beaufschlagung der Proben mit einem Wasser-Luft-Spray erreicht. Auf diese Weise kann die lokale Plastifizierung durch inhomogene Verzerrungen aufgrund thermischer und umwandlungsinduzierter Effekte beeinflusst werden, um letztlich das Eigenspannungsprofil individuell zu gestalten. Die wissenschaftliche Herausforderung dieser Arbeit besteht darin, unterschiedliche Eigenspannungen in der Oberfläche der Proben zu erzeugen, während die geometrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften gleichbleiben. Es wird nachgewiesen, dass eine Beeinflussung der Eigenspannungen und sogar die Umkehr des Spannungsvorzeichens allein durch eine geschickte Prozessführung beim Abkühlen möglich ist.

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“…The influences of hard turning and deep rolling was investigated by Pape et al in terms of bearing fatigue tests. Additionally, an FEM-based model, in combination with a calculation routine, was set up to compute the influence of residual stresses on bearing fatigue [25,26]. However, current research results show that too-high residual compressive stresses can also lead to a shorter service life [27,28].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Production-Related Surface and Subsurface Properties and Fatigue Life of Hybrid Roller Bearing Components

Breidenstein

Denkena

Krödel

et al. 2020

Metals

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By combining different materials, for example, high-strength steel and unalloyed structural steel, hybrid components with specifically adapted properties to a certain application can be realized. The mechanical processing, required for production, influences the subsurface properties, which have a deep impact on the lifespan of solid components. However, the influence of machining-induced subsurface properties on the operating behavior of hybrid components with a material transition in axial direction has not been investigated. Therefore, friction-welded hybrid shafts were machined with different process parameters for hard-turning and subsequent deep rolling. After machining, subsurface properties such as residual stresses, microstructures, and hardness of the machined components were analyzed. Significant influencing parameters on surface and subsurface properties identified in analogy experiments are the cutting-edge microgeometry, S¯, and the feed, f, during turning. The deep-rolling overlap, u, hardly changes the residual stress depth profile, but it influences the surface roughness strongly. Experimental tests to determine fatigue life under combined rolling and rotating bending stress were carried out. Residual stresses of up to −1000 MPa, at a depth of 200 µm, increased the durability regarding rolling-contact fatigue by 22%, compared to the hard-turned samples. The material transition was not critical for failure.

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Influence of Residual Stresses Introduced by Manufacturing Processes on Bearing Endurance Time

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Simulation of a Steel-Aluminum Composite Material Subjected to Rolling Contact Fatigue

Simulation of a Steel-Aluminum Composite Material Subjected to Rolling Contact Fatigue

Numerische Prozessauslegung zur gezielten Eigenspannungseinstellung in warmmassivumgeformten Bauteilen unter Berücksichtigung von Makro- und Mikroskala

Production-Related Surface and Subsurface Properties and Fatigue Life of Hybrid Roller Bearing Components

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