Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Gestaltfestigkeit dynamisch rein torsionsbeanspruchter Passfederverbindungen

Die Forschungshistorie der Passfederverbindungen (PFV) offenbart, dass biegebeanspruchte PFV umfangreich untersucht sind, wohingegen bei (rein) torsionsbeanspruchten PFV noch große Wissenslücken bestehen. Im Zusammenhang mit den Untersuchungen zur Grenzwertbestimmung wurde deutlich, dass die DIN 743 die Gestaltfestigkeit dieser Verbindungen vor allem für höherfeste Werkstoffe teilweise überschätzt. Wegen der zunehmenden Dynamisierung der Antriebstechnik rückt bei der Wellendimensionierung neben der obligatorischen DIN 6892 zunehmend auch die DIN 743 in den Vordergrund. Maßgebend darin sind die experimentell ermittelten und in Abhängigkeit der Bruchfestigkeit angegebenen Kerbwirkungszahlen.

Im Rahmen des geplanten Vorhabens sind zur Ermittlung der realen Kerbwirkungszahlen umfangreiche experimentelle Untersuchungen mit vorzugsweise torsionsbeanspruchten (schwellend) PFV aus Vergütungs- und Einsatzstählen geplant. Darüber hinaus werden weitere maßgebende Einflussgrößen wie Übermaß Welle-Nabe, Wellendurchmesser, Nabenwandstärkenverhältnis, Nutgrundradius, …) in die Untersuchungen einbezogen. Torsionswöhlerlinien von PFV bilden die unerlässliche Basis für weiterführende Untersuchungen zu kombinierten Belastungen oder zur Betriebsfestigkeit. Daher sind diesbezügliche auch Untersuchungen im Zeitfestigkeitsgebiet geplant. Die Experimente werden durch entsprechende FE-Analysen begleitet.

Bei der Ergebnisdarstellung wird eine Kompatibilität zur bestehenden Norm DIN 743 angestrebt, um einen schnellen Transfer in die Praxis zu gewährleisten. Unterstützend wirkt diesbezüglich der DIN AA Wellen und Welle-Nabe-Verbindungen. Damit verfügen die in der Antriebstechnik tätigen Unternehmen, darunter viele KMU's über fundierte Berechnungsgrundlagen, die ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit durch höhere Leistungsdichte sowie beanspruchungsgerechte und auch zertifizierbare Dimensionierungen verbessern.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurden zahlreiche experimentelle Untersuchungen an dynamisch rein torsionsbelasteten Passfederverbindungen (PFV) durchgeführt. Dabei bestätigte sich die Tendenz, dass die aktuellen Standardwerke (DIN 743/FKM-R) die Kerbwirkung deutlich unterschätzen. Mit Hilfe der ermittelten Gestaltfestigkeiten wurden neue Kerbwirkungszahlen in Abhängigkeit des Wellenwerkstoffes formuliert. Diese schließen auch einen Einsatzstahl mit ein und gelten für die überwiegend auftretende schwellende Belastung. Darüber hinaus wurden weitere Einflussparameter auf die Gestaltfestigkeit von PFV systematisch untersucht. Besonders positiv wirkt sich eine Übermaßpassung zwischen Welle und Nabe auf die Gestaltfestigkeit aus. Diese kann nunmehr mit einem s.g. Reibschlussfaktor in die Berechnung eingebunden werden. Weiterhin wurden ergänzend Stichversuche mit wechselnder Belastung durchgeführt und Auslegungshinweise dafür erarbeitet. PFV werden sowohl in Getrieben unter Öl als auch trocken bei Flanschverbindungen eingesetzt. Die sich daraus ergebenden Auswirkungen auf die Gestaltfestigkeit werden diskutiert und bewertet. Die Verallgemeinerung der Ergebnisse auf vom Standarddurchmesser 40 mm abweichende Wellendurchmesser wird in Abhängigkeit der Nutgeometrie ausführlich erläutert und basierend darauf werden Auslegungshinweise abgeleitet.

Die experimentellen Untersuchungen wurden von numerischen Untersuchungen begleitet, welche eine differenzierte Beurteilung verschiedener Schädigungsmechanismen ermöglichen. PFV versagen in der Regel infolge einer tribologischen Rissinduzierung, deren schädigende Wirkung auf die (Reibdauer-)Gestaltfestigkeit mit Hilfe von Reibkorrosionsfaktoren abgeschätzt werden kann. Eine spannungsmechanische Rissinduzierung (freie Oberfläche) wurde bei der Passfederform B und dem Werkstoff C45E+N beobachtet. Hierbei zeigte sich, dass die Festigkeit der Passfederverbindung mittels klassischer örtlicher Festigkeitsberechnungen gut abgeschätzt werden kann.