Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochfeste formschlüssige Verbindungen unter dynamischer Belastung

- Einfluss von Profilkontur, Werkstoff und Fertigung

1. Forschungsziel

Passfederverbindungen (PFV) sind die am weitesten verbreitete formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung (WNV) und besitzen gegenüber kraftschlüssigen Verbindungen, geringere Gestaltfestigkeiten aufgrund größerer Kerbwirkung sowie einer höheren tribologischen Wellenbeanspruchung. Eine Alternative zu PFV stellen formschlüssige WNV auf Basis der Hypotrochoiden (HPV) dar. Sie besitzen aufgrund der kont. Kontur eine geringere Kerbwirkung. Durch die hohe Anpassungsfähigkeit der HPV ist eine erhebliche Tragfähigkeitssteigerung gegenüber der PFV bei gleichem Bauraum zu erwarten. Mit dem Zweispindel-Dreh- und dem oszillierenden Verfahren existieren Fertigungsverfahren für HPV. Ziel des geplanten Vorhabens ist es deshalb, das wirtschaftliche u. techn. Leistungspotential der HPV gegenüber einer genormten PFV zu zeigen.

2.Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels

AP1: Analyse Technikstand

AP2: Numerische Untersuchungen

AP3: Experimentelle Untersuchungen

AP4: Rissentstehung und –wachstum

AP5: Normungsfähige Tolerierung

AP6: Dokumentation

3. Angestrebte Ergebnisse

Als Ergebnisse dieses Vorhabens werden optimierte Profilformen für die Drehmomentübertragung mit den zugehörigen Berechnungsansätzen für die Übertragungsfähigkeit der Verbindung und die Festigkeit der benachbarten Wellenabschnitte bereitgestellt.

4. Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU

Die Ergebnisse des geplanten Vorhabens liefern einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von KMU. Da es sich um ein grundlegendes Maschinenelement handelt, eröffnet sich ein breites Anwendungsfeld im Maschinen- und Fahrzeugbau. Die wirtschaftlichen Vorteile liegen in einer erhöhten Leistungsdichte der WNV, was direkt in reduzierten Material- und Fertigungsaufwand umgesetzt werden kann. Als Summe dieser Eigenschaftsänderungen wird eine erhöhte Ressourcen- und Energieeffizienz sowohl in der Ftg. als auch bei der Nutzung dieser WNV erreicht.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der experimentelle Nachweis eines signifikant verbesserten statischen und dynamischen Tragverhaltens und damit des höheren Übertragungspotentials der neuartigen hypotrochoidischen Welle-Nabe-Verbindungen (H-PWNV) gegenüber der genormten Passfederverbindung (PFV) erbracht. Damit wurden auch die umfangreichen numerischen Ergebnisse zum Einfluss der Profilexzentrizität und der Mitnehmerzahl, welche die große geometrische Varianz der Verbindungsart ermöglichen, bestätigt. Neben dem direkten Profilvergleich (H-PWNV gegen PFV) wurden weitere Einflussgrößen wie der Werkstoff der Welle, die Nabenwandstärke sowie seitens der H-PWNV eine variierte Profilexzentrizität auf Basis von Bauteilversuchen untersucht. Hierbei ergaben sich mechanisch erklärbare und damit gut nachvollziehbare Zusammenhänge, welche für die zukünftig zu entwickelnde Auslegungsrechnung bzw. den Sicherheitsnachweis der H-PWNV von großer Relevanz sind. Für die Norm DIN743-2 wurden anwendbare Kerbwirkungszahlen der neuartigen Profile zur Verfügung gestellt.

Weiterhin wurden auf Basis einer tiefgründigen Analyse der Schadensbilder und Rissverläufe charakteristische Kennwerte definiert, welche zur Beschreibung des Versagensmechanismus der H-PWNV Verwendung finden können. In diesem Zusammenhang wurde auch der rein rechnerische Reibkorrosionsparameter MFFDP als Rissindikator und damit Ausfallkriterium auf seine Anwendbarkeit geprüft. Eine gute Übereinstimmung kann zukünftig die rein numerische Vorauslegung der H-PWNV erleichtern und folglich auch Kosten und Zeit in der technischen Anwendung sparen.

Damit wurde neben dem reinen Benchmark eines neuen innovativen Produkts mit der herkömmlich großindustriell eingesetzten PFV zudem ein wichtiger Grundstein für die Aufstellung einer neuen Berechnungsnorm der H-PWNV gelegt. Diese soll zukünftig die Marktakzeptanz der H-PWNV erheblich verstärken und somit zum größeren technischen Einsatz des neuen Profils führen.