Very high cycle fatigue behaviour of compression springs under constant and variable amplitude loading

Abstract

Gewidmet Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Dietmar Eifler zur Vollendung seines 70. Lebensjahres. Dedicated to Professor Dietmar Eifler on the occasion of the 70th anniversary of his birth. In diesem Artikel wird eine Prüfvorrichtung zur simultanen Untersuchung von bis zu 88 Schraubendruckfedern an einer servohydraulischen Prüfmaschine mit konstanten und variablen Beanspruchungsamplituden vorgestellt. Die Ergebnisse von Wöhler-und Gaßnerversuchen an Schraubendruckfedern mit den Grenzschwingspielzahlen 5 · 10 8 bzw. 1,4 · 10 7 werden mit der Maximum-Likelihood-Methode ausgewertet. Mithilfe der linearen Schadensakkumulationshypothese nach Miner werden theoretische Gaßnerlinien auf Basis der Wöhlerlinien erstellt und mit den experimentell ermittelten Gaßnerlinien verglichen. Die Ergebnisse der Wöhlerversuche werden mit Ermüdungsuntersuchungen von Werkstoffproben und Federn aus der Literatur abgeglichen. Es wird erörtert, wie die Prüffrequenz bei variablen Amplituden erhöht werden kann. Dazu wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Werkstoffprüfungen mit Torsionsbelastung an Prüfmaschinen mit Ultraschallanregung auf Bauteilprüfungen von Schraubendruckfedern betrachtet. Schlüsselwörter: Dauerfestigkeit / variable Amplituden / Schraubendruckfedern / Federstahl / BetriebsfestigkeitA test rig for simultaneous testing of up to 88 compression springs under constant as well as variable amplitude loading is presented in this paper. The test rig utilizes a servo-hydraulic testing machine. The results of long-term fatigue tests of compression springs under constant and variable amplitude loading up to 5 · 10 8 and 1.4 · 10 7 cycles are presented. Experimental Woehler-and Gassner-curves are obtained using the maximum likelihood method. Theoretical Gassner-curves are generated using Miner's rule and experimental Woehler-curves. The theoretical Gassner-curves are compared to the experimental ones. The results of the constant amplitude loading tests are compared to literature data. The possibility to increase the testing frequency in variable amplitude loading tests is discussed. Thereto, the comparability of results from fatigue tests of material specimens using torsional ultrasonic fatigue testing equipment to results from fatigue tests on compression springs is addressed.

On the Influence of Ultimate Number of Cycles on Lifetime Prediction for Compression Springs Manufactured from VDSiCr Class Spring Wire

“…The most obvious explanation for this bias is the mismatch between the model employed and the true fatigue behavior of the springs under investigation. This mismatch has been discussed in literature [ 3 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 ] but no consensus has been reached yet. In future investigations, ACEs may be used to compare the predictive power of different models without prior assumptions regarding the true fatigue behavior.…”

“…A key reason for this is the presence of multiple competing failure mechanisms. Problems arising from this have been addressed in literature [ 3 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 ], however consensus over a suitable solution has not yet been reached. In this investigation, a log-normal distribution in the direction of the number of cycles is assumed above and below the kink point.…”

Fatigue strength of helical compression springs ‐ comparison of calculation methods according to DIN EN 13906‐1 and Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) guideline “Analytical strength assessment of springs and spring elements”

“…Das Versagen einer Feder im Betrieb kann zu Folgeschäden führen, die einen wirtschaftlichen Schaden verursachen, welcher in der Regel die Kosten einer einzelnen Feder um ein Vielfaches übersteigt [1–5]. Schraubendruckfedern können dabei je nach Einsatzbereich überwiegend konstanten Beanspruchungsamplituden oder variablen Beanspruchungsamplituden bis in den very high cycle fatigue (VHCF) Bereich bei sehr hohen Spannungsamplituden und gleichzeitig hoher Mittelspannung ausgesetzt sein [6–8].…”

“…Es wurden Schwingversuche bei konstanten und variablen Amplituden an über 1200 Schraubendruckfedern durchgeführt. Der Prüfaufbau zur simultanen Untersuchung von bis zu 88 Schraubendruckfedern bei konstanten und variablen Amplituden wurde bereits ausführlich beschrieben [8].…”

“…Neben den Wöhlerversuchen wurden auch Schwingversuche mit variablen Amplituden an 135 Schraubendruckfedern aus patentiert gezogenem Federstahldraht DH und an 58 Schraubendruckfedern aus ölschlussvergütetem Ventilfederstahldraht VDSiCr durchgeführt. Die Gaßnerversuche wurden mit einer servohydraulischen Prüfmaschine durchgeführt [8, 20].…”