Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beanspruchung und Tragfähigkeit kreuzverzahnter Flanschverbindungen

Kreuzverzahnte Flanschverbindungen sind eine häufig angewandte Variante der formschlüssigen Drehmomentübertragung in Antriebsträngen. Zur Auslegung und Dimensionierung sind jedoch keine Berechnungsgrundlagen oder sonstige Richtlinien vorhanden. Die Ermittlung der örtlichen Beanspruchungen erfolgt daher in der Regel mit Hilfe numerischer Berechnungen wie z. B. der Finite-Elemente-Methode. Die Bewertung der Beanspruchungen hinsichtlich wirksamer Spannungsamplituden und zulässiger Werkstoffkennwerte (Tragfähigkeitsnachweis) ist dabei ungeklärt. Es soll daher eine analytisches Rechenverfahren erarbeitet werden, dass die beanspruchungsgerechte Auslegung und Dimensionierung von kreuzverzahnten Flanschverbindungen ermöglicht.

Zur Erreichung des Forschungsziels sind sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen vorgesehen. Die Grundlagen der Untersuchungen stellen die Erkenntnisse aus den AiF-Vorhaben 12666 BR und 16665 BR dar. Die theoretischen Untersuchungen dienen dazu, diese Erkenntnisse auf die vorliegende Problemstellung zu adaptieren und zu erweitern. Im Rahmen von Bauteilversuchen mit verzahnten Probekörpern soll die erweiterte Berechnungsmethode verifiziert und neue Ergebnisse in Bezug auf die Tragfähigkeit kreuzverzahnter Flanschverbindungen erarbeitet werden.

Mit Erreichen des Forschungsziels wird die Möglichkeit geschaffen, Kreuzverzahnungen künftig analytisch, also ohne aufwändige numerische Berechnungen oder Versuchsreichen auszulegen. Hiervon profitieren gerade kleine und mittlere Unternehmen, die über keine umfangreich ausgestatteten Berechnungsabteilungen verfügen. Aufgrund der gestiegenen Auslegungsgeschwindigkeit werden zudem Projektierungswerkzeuge möglich, die rasche Aussagen bezüglich des Material- und Kostenaufwandes beim Einsatz derartiger Verbindungen ermöglichen. Die Firmen der Antriebstechnik können dadurch schneller und besser auf Kundenwünsche oder -anfragen reagieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte ein Tragfähigkeitsnachweis erarbeitet werden. Dieser umfasst Einzelnachweise, welche zur Auslegung und Dimensionierung von kreuzverzahnten Wellenflanschen geführt werden müssen. Ausgangspunkt für diese Untersuchungen stellen die beiden vorangegangenen Forschungsvorhaben AiF 12666 BR [23] und AiF 16665 BR [22] dar.

Nach umfangreichen Geometrieuntersuchungen von Kreuzverzahnungen konnte mit Hilfe des Ansatzes des Tragfähigkeitsnachweises von Bunge [3] und Grams [5], insbesondere der Beschreibung der örtlichen Spannungen im Zahnfuß eine Berechnungsmethodik für Kreuzverzahnungen abgeleitet werden. Mit Hilfe von umfangreichen FEM-Kontaktrechnungen wurde eine umfangreiche Datenbasis geschaffen. Auf Grundlage dieser war es möglich Berechnungsfaktoren für kreuzverzahnte Flanschverbindungen abzuleiten. Zum einen für die Lastverteilung und zum anderen für die Beschreibung der Zahnfußspannungen. Belastungen, welche schadensrelevante Spannungen im Bauteil hervorrufen, wurden identifiziert und im Berechnungsverfahren berücksichtigt. Im Zuge von Bauteilversuchen konnten diese Schadenssorten bestätigt werden. Dies half bei der Verifizierung der Berechnungsmethode. Theoretische und experimentelle Untersuchungen konnten in Einklang miteinander gebracht werden.

Diese Arbeit liefert einen Beitrag für den Sicherheitsnachweis von Kreuzverzahnungen.