Hohe Übermaße bei Pressverbindungen

Untersuchungen zu Auslegungsgrenzen und Steigerung der maximalen Übermaße bei zylindrischen Pressverbindungen

Die Erhöhung der Übertragungsfähigkeit von Welle-Nabe-Verbindungen bildet einen elementaren Baustein bei der Steigerung der Leistungsdichte von antriebstechnischen Systemen. Bei Pressverbindungen geschieht dies auf effiziente Weise durch eine Vergrößerung des geometrischen Übermaßes und des damit verbundenen erhöhten Fugendrucks. Durch eine elastisch-plastische Auslegung kann dabei eine hohe Werkstoffausnutzung erreicht werden. In praktischen Anwendungen wird die Höhe des Übermaßes jedoch häufig durch die Elastizitätsgrenze der eingesetzten Werkstoffe begrenzt, da für die elastisch-plastische Auslegung nach DIN 7190-1 hinreichende experimentelle Nachweise fehlen. Dadurch blieben bisher bedeutende Übertragungsfähigkeits- und Leichtbaupotenziale ungenutzt.

Im Projekt sind umfangreiche numerische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt worden. Dabei wurden erstmalig wichtige Erkenntnisse zu Auslegungsgrenzen, Werkstoffausnutzung, Übertragungsfähigkeit, Leichtbaupotenzialen und Wirtschaftlichkeit von elastisch-plastisch beanspruchten Pressverbindungen gewonnen. Wichtiger Untersuchungsgegenstand waren verschiedene Fügeversuche mit konischen Dornen bzw. abgesetzter Welle, die jeweils numerisch begleitet wurden. Durch die stufenlose Steigerung des geometrischen Übermaßes zwischen null und 100 ‰ konnten die Versagensmechanismen und –grenzen identifiziert werden. Fügeversuche mit abgesetzter Welle lieferten insbesondere Kenntnisse über Füge-/Lösekräfte und Formtoleranzen. Durch die Rückführung der experimentellen Versuchsergebnisse in FE-Simulationen mit elastisch-plastischem Materialmodell konnten wichtige Größen, wie die Nabenbeanspruchung oder der Fugendruck, bestimmt werden. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich eine Steigerung der Übertragungsfähigkeit auf das Vierfache gegenüber einer reinelastischen Auslegung. Mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen zum statischen Grenzdrehmoment und zur Zeitfestigkeit unter schwellender Torsion konnten diese Steigerungspotentiale bestätigt werden. Damit liegen die Ergebnisse vor, die eine experimentell abgesicherte Auslegungsempfehlung ermöglichen und bestehende Unsicherheiten beseitigen.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19621 N 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.