Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zum Einfluss der Kegeltoleranzen und der Montagebedingungen auf die Übertragungssicherheit von selbsthemmenden Kegelpressverbindungen

Zylindrische Pressverbindungen (PV) sind fertigungstechnisch einfach herstellbar, jedoch hinsichtlich des Fügens nur suboptimal. Besonders bei großen Abmessungen oder bei Einhaltung von Temperaturgrenzen (z.B. bei gehärteten Bauteilen) sind entweder sehr große Kräfte erforderlich oder das erreichbare Übermaß ist nicht ausreichend für die geforderte Drehmomentübertragung.

Vorteile bieten in diesem Zusammenhang PV mit kegeligen Wirkflächen – s.g. Kegelpress-verbindungen (KPV) -, weil diese nur sehr kleine Aufschubwege erfordern. Die Auslegung der KPV erfolgt prinzipiell durch Übertragung der an zyl. PV gewonnenen Erkenntnisse. Dokumentiert wird dies durch die kürzlich erstellte DIN 7190-2 , in der ein Berechnungsverfahren speziell für selbsthemmende Kegelpressverbindungen integriert wurde.

Die KPV weisen gegenüber den zylindrischen Pressverbindungen mit dem Kegelwinkel β einen zusätzlichen kritischen Geometrieparameter auf. Die diesbezüglichen Fertigungsabweichungen können beim weit verbreiteten wegbezogenen Fügen zu einer erheblichen Minderung der Übertragungsfähigkeit führen. Der Differenzwinkel γ=/βI-βA/ wird zwar bei der Auslegung berücksichtigt, eine Validierung, besonders bei überlagerten Belastungen, steht aber noch aus.

Übergeordnetes Ziel des geplanten Vorhabens ist deshalb die Ermittlung des Einflusses von Kegeltoleranzen (Fertigungsabweichungen) auf die Übertragungsfähigkeit (Torsion; Torsion/Umlaufbiegung) von selbsthemmenden mit und ohne Medieneinfluss gefügten praxisnahen KPV. Ein weiteres Ziel ist die numerische Simulation des Ölflusses beim Fügen/Lösen in der Fuge mit gestuften Naben. Beide Zielstellungen verbessern durch die Entfeinerung der Toleranzen und durch den sicheren Einsatz der Hydraulik beim Fügen/Lösen die Wettbewerbsfähigkeit der sehr zahlreich in der Antriebstechnik tätigen Unternehmen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Fügeversuche zeigen, dass ein rein kraftbezogenes Fügen ohne Kontrolle des Fügeweges aufgrund von lokalen Schmierfilmabrissen zu großen Unsicherheiten hinsichtlich des erreichbaren Übermaßes führt. Für die praktische Anwendung wird daher ein wegbezogenes Fügen empfohlen. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass bei Sicherstellung des mittleren Übermaßes ein Einfluss des Winkelfehlers auf das Lösemoment praktisch nicht vorhanden ist. Unterschiede im Übertragungsverhalten von geölten im Vergleich zu druckölgefügten Kegelpressverbänden wurden nicht festgestellt. Es wird für beide Fügemethoden empfohlen mit dem Reibwert μ = 0,16 zu rechnen. Bei den hier experimentell untersuchten Krafteinleitungen über einen (lokalen) Zahneingriff offenbarten sich bisher analytisch nicht ausreichend berücksichtigte Einflüsse der Nabenwandstärke und der Radialkraftkomponente. In Kombination mit simulativen Untersuchungen konnten die Gleichungen für die analytische Berechnung des Lösemomentes bei asymmetrischer Krafteinleitung empirisch angepasst werden. Von der Forschungsstelle II wurden erstmals umfassende numerische Simulationen zur hydraulischen Demontage von Kegelpressverbänden, insbesondere unter Berücksichtigung von Kegelwinkelabweichungen, durchgeführt. Hierzu wurden tribologische, kontaktmechanische und strukturmechanische Simulationstechniken kombiniert und zwei Modelle neu entwickelt. Zu Validierungszwecken wurden Plexiglasnaben hydraulisch demontiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Nutposition keinen Einfluss auf die Entstehung von Fressschäden hat. Mit der Kegelwinkelkorrektur wurde eine einfache analytische Methode zur Reduktion von Fressschäden entwickelt und mittels einer DoE-Studie numerisch bestätigt. Mit dieser analytischen Methode konnte das Hauptziel des Antrages bezüglich der Demontagesimulation erreicht werden. Zusätzlich wurde ein Methodenträger zur Berechnung der Kegelwinkelkorrektur für einfache Geometrien entwickelt. Die Forschungsziele wurden somit erreicht.