Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zu Auslegungsgrenzen und Steigerung der maximalen Übermaße bei zylindrischen Pressverbindungen

Eine Steigerung der Übertragungsfähigkeit von Pressverbindungen ist bei gleichbleibendem Bauraum – neben einer Erhöhung des Reibwertes – durch eine Vergrößerung des geometrischen Übermaßes möglich. Ein großes Übermaß kann sich auch bei der Einsparung von teuren Feinbearbeitungsvorgängen ergeben. Die Vergrößerung des Übermaßes kann in diesen Fällen zu einer Plastifizierung in der Trennfuge führen, was gängige Auslegungsvorschriften wie die DIN 7190 bereits berücksichtigen, ohne sich hierfür auf wissenschaftlich fundierte experimentelle Untersuchungen zu stützen. Aus diesem Grund wird das elastisch-plastische Auslegungsverfahren in der Praxis kaum eingesetzt bzw. angewendet. Schwerpunkt dieses Vorhabens sind experimentelle Untersuchungen an Pressverbindungen mit hohem Übermaß, gestützt durch FE-Analysen. Daraus sollen Auslegungsempfehlungen und Anwendungsgrenzen für den Einsatz von Pressverbindungen mit hohem Übermaß abgeleitet werden, um damit bei gleichbleibenden oder sogar reduzierten Kosten die Leistungsfähigkeit der Verbindung zu steigern und Leichtbaupotenziale zu nutzen. Gerade für KMU ist der finanzielle Aufwand zur Sicherstellung enger Maßtoleranzen durch Feinbearbeitungsvorgänge (z. B. Rundschleifen) problematisch. Wenn die höheren Bauteilbeanspruchungen, die sich bei einem entstehenden hohen Übermaß aufgrund des Verzichts der Feinbearbeitung ergeben, beherrschbar sind, können diese teuren Fertigungsschritte künftig entfallen, was zu einer direkten Einsparung von Fertigungskosten führt. Zudem ermöglicht die Steigerung der Übertragbarkeit durch ein höheres Übermaß eine Reduzierung der Bauteilabmessungen und stellt damit eine einfache Möglichkeit zur Realisierung von Leichtbaulösungen dar.

Ergebniszusammenfassung:

Mit dem IGF-Vorhaben 19621 N konnten essentielle Erkenntnisse für die elastisch-plastische Auslegung von Pressverbindungen durch die Verwendung von hohen Übermaßen erzielt werden. Dafür wurde eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt und durch numerische Berechnungen begleitet und ergänzt. Durch dieses Vorgehen konnten die numerischen Ergebnisse stets mit Hilfe der Experimente validiert werden, sodass die Bauteilbeanspruchung und mögliche Versagenskriterien abgeleitet werden konnten. Mit Füge- und Löseversuchen konnte gezeigt werden, dass eine Steigerung der Übertragungsfähigkeit auf das Vierfache gegenüber einer elastischen Auslegung gesteigert werden kann. Außerdem wurden die Fügbarkeitsgrenzen verschiedener Werkstoffe identifiziert, die in Abhängigkeit vom Wärmebehandlungszustand außerhalb des Untersuchungsbereichs (ξ = 0 – 100 ‰) liegen. Anhand ausgewählter Übermaße konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Steigerung des Fugendrucks auch an praxisnahen Wellengeometrien umgesetzt werden kann. Für ein optimales Ergebnis sind Optimierungen an der Wellenfase notwendig. Hierfür liegen bereits Ergebnisse vor, die in einem Folgevorhaben umfangreich erweitert werden sollen. Außerdem sind erzielbare Formtoleranzen und geeignete Schmierstoffe für das Fügen bekannt. Die Versuche zum statischen Grenzmoment bestätigten die Steigerung der Übertragungsfähigkeit (auf das Vierfache einer elastisch ausgelegten Pressverbindung), die auf Basis von Füge- und Löseversuche ermittelt wurden. Über den Zeitfestigkeitsbereich konnten alle Pressverbindungen die statischen Grenzmomente schwellend übertragen.

Die Ergebnisse können zur Steigerung der Übertragungsfähigkeit und für Leichtbauzwecke bspw. in Industriegetrieben oder in Automotive-Anwendungen zum Einsatz kommen. Im Allgemeinen kann durch eine elastisch-plastische Auslegung der Verbindung auch eine Reduktion der Herstellkosten erzielt werden, da Feinbearbeitungsschritte ihre Notwendigkeit verlieren.