Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Festigkeitsnachweis von Pressverbindungen unter getriebespezifischen kombinierten Belastungen

Biege- und Torsionsbelastungen, einzeln oder kombiniert, treten bei Wellen und Achsen am häufigsten auf und sind daher im Tragfähigkeitsnachweis, im Hinblick auf die Kenntnis ihrer Schädigungswirkung, von großer Bedeutung. Derzeit existiert allerdings keinerlei Erfahrung in der Auslegung bzw. Festigkeitsberechnung von Welle-Nabe-Verbindungen unter kombinierter dynamischer Belastung (Biegung und Torsion).

Das übergeordnete Ziel der Forschungsarbeiten am IKAT besteht in der Qualifizierung der Berechnungsverfahren für die Gestaltfestigkeit von Welle-Nabe-Verbindungen unter kombinierten Belastungen der dynamischen Torsion und der umlaufenden Biegung. Im Projekt werden stellvertretend zylindrische Pressverbände untersucht. Zum Erlangen eines normfähigen Handlungshinweises für die Berechnung von Pressverbänden wird die Forschungshypothese aufgestellt, die die Parameter der mehrachsigen Beanspruchung, wie das Amplitudenverhältnis V_n, Frequenzverhältnis V_f und Spannungsverhältnis R, mit der Gestaltfestigkeit in Beziehung setzt. Die numerischen Untersuchungen dienen als Werkzeug zur Ermittlung des zeitabhängigen Spannungszustandes, welcher die Grundlage bei der Anwendung spezieller Versagenshypothesen (kritische Ebene, integrale Anstrengung) ist. Wichtigster Bestandteil ist die Ableitung der nennspannungsbasierten Berechnungsvorschrift aus den praktischen und theoretischen Erkenntnissen.

Die derzeit bestehenden Unsicherheiten oder gar Fehler bei der Festigkeitsbewertung können zur Überdimensionierung oder im ungünstigsten Fall zum Versagen der Verbindung mit meist gravierenden finanziellen Folgen führen. Das geplante Vorhaben soll bestehende Wissenslücken schließen. Durch die Anwendung von validierten Berechnungsvorschriften ergeben sich für die KMU wirtschaftliche Vorteile.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurden am IKAT der TU Chemnitz Untersuchungen zu mehrachsigen Belastungen von Welle-Nabe-Verbindungen durchgeführt. Ziel war dabei die Entwicklung eines Konzeptes, mit welchem eine Bauteildauerfestigkeit für die überlagerten Lasten berechnet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Untersuchungen auf dem Prüfstand für überlagerte Beanspruchungen in Form von Umlaufbiegung und dynamischer Torsion fortgesetzt. Neuer Untersuchungsgegenstand war die anwendungsspezifische Geometrie der Pressverbindung mit abgesetzter Welle und Freistich. Zusätzlich wurde der Mittelspannungseinfluss der Torsion für Pressverbände allgemein untersucht. Variiert wurden der Werkstoff und die Belastungsanteile sowie das jeweilige Frequenzverhältnis.

Im Vergleich zu den nach der aktuellen DIN 743 (Nennspannungskonzept) berechneten Gestaltfestigkeiten wurden niedrigere Beanspruchbarkeiten für alle geprüften Probengeometrien ermittelt. Weiterhin konnte beobachtet werden, dass die Anrissposition mehrheitlich im Kontaktbereich der Welle zu finden ist. Für reine Umlaufbiegung war der Rissursprung immer im Freistichradius zu verorten. Aus diesem Grund erfolgte für die praktische Anwendung eine Modifizierung der Berechnungsmodelle. Die rechnerische Berücksichtigung einer überlagerten dynamischen Belastung erfolgte in der Zusammenführung der Einzellasten im Sicherheitsnachweis der DIN 743, in dem ein sog. Mehrachsigkeitsexponent eingeführt wird. Die dafür benötigten Faktoren/Exponenten stehen den Anwendern zunächst für die geprüften Belastungs-, Werkstoff- und Geometriekombinationen in tabellarischer Form zur Verfügung. Damit wurde das Parameterfeld auch für spezifische Anwendungen erweitert und bildet zusammen mit den Erkenntnissen des Vorlaufsvorhabens eine breitere Basis für die Auslegung von Pressverbindungen bei überlagerten Belastungen.