Einfluss von Fertigungsverfahren auf Pressverbindungen mit gerändelter Welle

Einfluss von Fertigungsverfahren auf Pressverbindungen mit gerändelter Welle

Rändelpressverbindungen stellten viele Jahre eine eher anwendungsgetriebene Lösung einer Welle-Nabe-Verbindung dar, für die aber keine Grundlagen zur rechnerischen Auslegung bestanden. Durch die einfache zylindrische Nabenbearbeitung und die bereits in DIN 82 beschriebene Wellenprofilierung mit achsparalleler Rillung wird bei geringen Toleranzanforderungen eine spielfreie und zugleich kombiniert reib-/formschlüssige Verbindung mit sehr guten Übertragungseigenschaften erreicht.

In Ergänzung zu den Arbeiten von Bader in Graz und den DFG-Forschungsprojekten am IKAT der TU Chemnitz konnte am IMW der TU Clausthal in einem ersten Forschungsvorhaben (FVA 658I, AiF 17086 N/1) neben der idealen Profilgröße bereits die positive Auswirkung einer Einführfase ermittelt werden. Die Einführfase führt zu einem umformenden Fügevorgang zwischen Welle und Nabe, was durch die dabei entstehenden Druckeigenspannungen im Kontakt die dynamische Tragfähigkeit der Verbindung auch bei Torsionswechsellasten deutlich steigert.

Das aktuell abgeschlossene Vorhaben (FVA 658II, AiF 20172 N/1) war auf die Untersuchung serientauglicher Fertigungsverfahren und die Erstellung einer Berechnungsgrundlage ausgerichtet. Neben dem Rändelfräsen auf einer Drehmaschine wurden das spanende Abwälzfräsen und das umformende Profilrollen betrachtet. Für die Verbesserung der Zentriereigenschaften wurden die Rändelköpfe überschliffen. Mit den so hergestellten Rändelproben wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Torsions-Übertragungsfähigkeit durchgeführt. Neben den Fertigungsverfahren wurden die Fügelänge (0,5 und 0,2 x Wellendurchmesser) sowie die Nabenwanddicke (QA = 0,5 und 0,8) variiert. Als ein weiteres wesentliches Merkmal der Rändelung wurde der Fußrundungsradius auf Basis der im ersten Teilvorhaben ermittelten Schädigungsbilder vergrößert und über die DIN 82 hinaus definiert. Dies kommt einerseits der Werkzeugstandzeit entgegen, führt aber auch, wie beabsichtigt, zu einer deutlichen Tragfähigkeitssteigerung der Verbindung. Vom Rändelprofil ausgehende Wellenbrüche konnten nicht mehr beobachtet werden.

Darüber hinaus konnte eine Reihe von Erkenntnissen zum Fügeverhalten, der statischen und dynamischen Torsions-Übertragungsfähigkeit, dem Verschleißverhalten und den Versagensmechanismen, sowie der Wiederverwendung der Verbindungen gewonnen werden. Die Ergebnisse sind in ein einfach zu handhabendes Berechnungsverfahren eingeflossen, welches die Berechnung von statischer und dynamischer Torsions-Übertragungsfähigkeit sowie den Fügekräften von Rändelpressverbindungen ermöglicht. Es steht im Rahmen eines Methodenträgers in Themis zur Verfügung.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20172 /N1 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.