Effiziente Methode zur Reduzierung von Spannungsspitzen im Fugendruckverlauf von zylindrischen Querpressverbänden

Abstract

Die vorliegende Arbeit ermöglicht es, ohne teure und komplexe Softwarepakete eine Konturanpassung in der Trennfuge von zylindrischen Querpressverbänden zu definieren, durch die sich kritische Spannungsspitzen am Nabenrand vermeiden lassen und die problemlos auf Standard-CNC-Drehmaschinen gefertigt werden kann. In technischen Anwendungen steht die Welle in einem Querpressverband funktionsbedingt an mindestens einer Seite der Verbindung über die Nabe hinaus. Durch diesen Steifigkeitssprung kommt es zu Spannungsspitzen am Nabenrand, die besonders bei harten und spröden Werkstoffen versagenskritisch sein können. Zudem stellen die Spannungsüberhöhungen grundsätzlich eine unnötig große statische Grundlast (Mittelspannung) dar, welche die Dauerfestigkeit reduziert. Aktuell existieren einige Gestaltungsempfehlungen, die jedoch mangels Berücksichtigung verschiedener geometrischer Einflussfaktoren nicht allgemein anwendbar sind, die Spannungsspitzen nur verschieben aber nicht vermeiden oder zu einer starken geometrischen Beeinflussung der Funktionsflächen der Nabe führen, sodass diese in der Praxis keine breite Akzeptanz finden. Darüber hinaus sind Methoden bekannt, die auf Basis komplexer Finite-Elemente-Simulationen eine spezielle Trennfugenkontur liefern, um den Fugendruck in der Trennfuge eines Pressverbands sehr genau zu homogenisieren. Diese Methoden erfordern jedoch umfangreiche Softwaresysteme sowie Expertenwissen und führen zu einer sehr filigranen Trennfugenkonturierung, die auf Standardmaschinen nur äußerst schwer prozesssicher hergestellt werden kann. Weil die Spannungsverteilung in einem Pressverband analytisch nur für den Fall einer gleich langen Welle und Nabe berechnet werden kann, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, mit der ein Pressverband mit überstehender Welle in eine äquivalente Verbindung überführt wird, die die gleichen Steifigkeitseigenschaften aufweist und sich analytisch einfach berechnen lässt. Auf Basis von umfangreichen FE-Untersuchungen wurde ein Verfahren zur Gestaltung einer Trennfugenkontur abgeleitet, die mit wenigen analytischen Rechenoperationen definiert und auf branchentypischen CNC-Maschinen prozesssicher hergestellt werden kann. Für die Validierung der FE-Modelle und Optimierungsergebnisse kamen experimentelle Verformungsmessungen infolge des Fügevorgangs sowie Beanspruchungsanalysen mittels Dehnmessstreifen zum Einsatz.