Untersuchungen zur Auslegung und Gestaltung von zylindrischen Pressverbindungen mit elastisch-plastisch und vollplastisch beanspruchten Naben

Abstract

Aufgrund ihrer geometrischen Einfachheit und der damit verbundenen wirtschaftlichen Herstellung sind Pressverbindungen eine häufig in der Praxis eingesetzte Welle-Nabe-Verbindung. Infolge steigender Anforderungen an die Leistungsdichte von Maschinenelementen stößt die etablierte Auslegungsmethode von rein elastisch beanspruchten Pressverbindungen jedoch an ihre Grenzen, sodass andere Lösungsansätze erforderlich sind. Neben der elastischen Auslegung sind verschiedene Auslegungsmethoden für Pressverbindungen mit elastisch-plastisch beanspruchten Naben bekannt. Diese finden in der industriellen Praxis aufgrund verschiedener Defizite jedoch nur selten Anwendung, wobei insbesondere verlässliche Auslegungsgrenzen, Kenntnisse über versagenskritische Spannungen und eine experimentelle Absicherung fehlen. Die vorliegende Arbeit stellt Auslegungs- und Prozessgrenzen für Pressverbindungen mit elastisch-plastisch und vollplastisch beanspruchten Naben bereit, um die Werkstoffausnutzung und die Leistungsdichte von Pressverbindungen zu steigern. Hierbei liegt der Fokus auf numerischen Untersuchungen zur Fugendrucksteigerung, zur Ermittlung von Auslegungsgrenzen und zur daraus resultierenden Nabenbeanspruchung. Zudem beinhaltet die Arbeit zahlreiche experimentelle Untersuchungen, die zur Validierung der numerischen Ergebnisse und der Ermittlung von Prozessgrenzen beim Fügen und Lösen der Pressverbindungen dienen. Zunächst wird der Aufbau geeigneter nichtlinearer Werkstoffmodelle beschrieben. Diese werden anschließend herangezogen, um die werkstoff- und geometrieabhängige Fugendrucksteigerung, die Nabenbeanspruchung und verschiedene Auslegungsgrenzen zu ermitteln. Darauf folgen numerische und experimentelle Untersuchungen zum Füge- und Lösevorgang. Dabei werden mithilfe von numerischen Berechnungen verschiedene Ansätze zur Geometrieoptimierung untersucht, die sowohl einen hohen und gleichmäßigen Fugendruck als auch ein sicheres Fügen ermöglichen. Die durchgeführten Experimente liefern wichtige Erkenntnisse zu Prozessgrenzen für das Fügen und Lösen der Pressverbindungen, zu geeigneten Schmierstoffen, zur Glättung der Rauheitsspitzen, zu Haft- und Gleitreibwerten und zum statischen Grenzdrehmoment. Die Arbeit endet mit einer Diskussion der Ergebnisse und Gestaltungsempfehlungen für zylindrische Pressverbindungen mit elastisch-plastisch und vollplastisch beanspruchten Naben.