Allgemeines Forschungsberichte

Gestaltfestigkeit Passfederverbindungen

FVA 831 I | IGF-Nr. 20055 BR

Neujustierung der Kerbwirkungszahlen von PFV in Abhängigkeit des Wellenwerkstoffes - Quelle: IKAT, TU Chemnitz

Gestaltfestigkeit dynamisch rein torsionsbeanspruchter Passfederverbindungen

Passfederverbindungen (PFV) sind eine der am häufigsten eingesetzten formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen. Ihre Auslegung erfolgt in der Regel auf Basis der in den gängigen Standardwerken (DIN 743, FKM-R) enthaltenen Kerbwirkungszahlen für Biegung und Torsion. Diese werden dort ausschließlich in Abhängigkeit der Zugfestigkeit des Wellenwerkstoffes angegeben. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass die Gestaltfestigkeit insbesondere für höherfeste Werkstoffe überschätzt wird.

Im Rahmen des Projektes wurden zahlreiche experimentelle Untersuchungen an dynamisch rein torsionsbelasteten PFV durchgeführt. Dabei bestätigte sich die Tendenz, dass die aktuellen Standardwerke die Kerbwirkung deutlich unterschätzen. Mit Hilfe der ermittelten Gestaltfestigkeiten wurden neue Kerbwirkungszahlen in Abhängigkeit des Wellenwerkstoffes formuliert. Diese schließen auch einen Einsatzstahl mit ein und gelten für die überwiegend auftretende schwellende Belastung. Darüber hinaus wurden weitere Einflussparameter auf die Gestaltfestigkeit von PFV systematisch untersucht. Besonders positiv wirkt sich eine Übermaßpassung zwischen Welle und Nabe auf die Gestaltfestigkeit aus. Diese kann nunmehr mit einem s.g. Reibschlussfaktor in die Berechnung eingebunden werden. Weiterhin wurden ergänzend Stichversuche mit wechselnder Belastung durchgeführt und Auslegungshinweise dafür erarbeitet. PFV werden sowohl in Getrieben unter Öl als auch trocken bei Flanschverbindungen eingesetzt. Deshalb wurden auch diese Ausführungsformen experimentell untersucht. Die sich daraus ergebenden Auswirkungen auf die Gestaltfestigkeit werden diskutiert und bewertet. Die Verallgemeinerung der Ergebnisse auf vom Standarddurchmesser 40 mm abweichende Wellendurchmesser wird in Abhängigkeit der Nutgeometrie ausführlich erläutert und basierend darauf werden Auslegungshinweise abgeleitet.

Die experimentellen Untersuchungen wurden, auch zur Erweiterung des Parameterfeldes, von numerischen Untersuchungen begleitet. Diese ermöglichen die differenzierte Beurteilung verschiedener Schädigungsmechanismen. Passfederverbindungen versagen in der Regel infolge einer tribologischen Rissinduzierung. Die schädigende Wirkung der tribologischen Beanspruchung auf die (Reibdauer-)Gestaltfestigkeit konnte mit Hilfe des am IKAT vorliegenden Wissensstandes mittels Reibkorrosionsfaktoren abgeschätzt werden. Eine spannungsmechanische Rissinduzierung (freie Oberfläche) wurde bei der Passfederform B und dem Werkstoff C45E+N beobachtet. Hierbei zeigte sich, dass die Festigkeit der Passfederverbindung mittels klassischer örtlicher und örtlich basierter Festigkeitsberechnungen gut abgeschätzt werden kann.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20055 BR 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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