Kombinierte Belastungen bei WNV

Untersuchungen zur Gestaltfestigkeit von Welle-Nabe-Verbindungen unter kombinierter dynamischer Belastung (Biegung und Torsion)

Biege- und Torsionsbelastungen, einzeln oder kombiniert, treten bei Wellen und Achsen am häufigsten auf und sind daher im Tragfähigkeitsnachweis, im Hinblick auf die Kenntnis ihrer Schädigungswirkung, von großer Bedeutung. Derzeit existiert allerdings nur wenig Erfahrung zur Auslegung bzw. Festigkeitsberechnung von Welle-Nabe-Verbindungen unter kombinierter dynamischer Belastung (umlaufende Biegung und Wechseltorsion). Die durchgeführten Untersuchungen an Welle-Nabe-Verbindungen zeigen Diskrepanzen zu den mit Normwerken berechneten Dauerfestigkeiten. Die experimentellen Arbeiten umfassten umfangreiche Ermüdungsversuche unter kombinierter Last an Pressverbindungen (PV), teilweise auch an gekerbten Wellen (GW) (siehe Bild). Zur Erreichung des Forschungszieles wurden maßgebende Parameter wie das Last- und Frequenzverhältnis sowie der Werkstoff variiert.

Das Bild zeigt den Vergleich der experimentell ermittelten Gestaltfestigkeiten mit den zulässigen Einzelbeanspruchungsamplituden, bezogen auf die berechnete Gestaltfestigkeit. Der Ansatz der bisher häufig genutzten Gestaltänderungsenergiehypothese (violette Linie, x = 2) suggeriert für alle Versuchspunkte eine zu hohe Beanspruchbarkeit. Diese Erkenntnisse decken sich mit der vorgestellten Literatur, wo eine mehrachsige Beanspruchung im Vergleich immer kritischer bewertet wird. Um dieser Problematik zu begegnen, wird eine Anpassung der Sicherheitsgleichung durch einen Mehrachsigkeitsexponenten x vorgeschlagen. Mit diesen Ergebnissen können die derzeit bestehenden Unsicherheiten oder gar Fehler bei der Festigkeitsbewertung korrigiert werden. Infolgedessen kann ein Versagen der Verbindung vermieden werden (gravierende finanzielle Folgen). Dies erlaubt somit den Anwendern, einen zuverlässigen Festigkeitsnachweis durchzuführen.

Haupterkenntnisse:
- Kombinierte dynamische Biege- und Torsionsbelastungen führen zu höheren Beanspruchungen als bisher angenommen
- Erweiterung des Festigkeitsnachweises ist durch den Mehrachsigkeitsexponenten x möglich
-  Pressverbindungen aus höherfesteren Werkstoffen können eine geringere relative Gestaltfestigkeit erreichen

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 183867 BR der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium fur Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefordert.