Welle-Nabe-Verbindungen - a never ending Story

Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) stehen neben Verzahnungen und Wälzlagern seit Jahrzehnten im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen. Gründe dafür sind deren gestalterische Vielfalt und Einsatzorte in nahezu allen Branchen des Maschinenbaus. Zudem sind sie oft an exponierten Stellen in antriebstechnischen Systemen platziert, wo ein Ausfall der WNV nahezu immer auch zu einem Systemstillstand, verbunden mit hohen Folgekosten, führt.

Zweifelsfrei liegt aufgrund der langen Historie ein umfassender Wissensstand vor. Für die am häufigsten eingesetzten Verbindungen Press-, Passfeder- und Zahnwellenverbindungen sind die Berechnungen in Normen standardisiert und stehen teilweise auch als EDV-Berechnungsprogramme zur Verfügung. Offenbar resultieren aber aus neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen auch immer wieder neue Fragestellungen, die Anlass zu weiteren Forschungsarbeiten geben. Wesentliche Treiber dafür sind die wettbewerbsgetriebenen Optimierungsmaßnahmen (z. B. höhere Leistungsdichte, Auslegung nach Lebensdauer) und neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Werkstoffe und deren Kombinationen sowie neue Fertigungstechnologien. Daraus resultieren Forschungsbedarfe hinsichtlich eines tiefgreifenden Verständnisses zum spezifischen Versagensverhalten und zum ressourcenschonenden Materialeinsatz. Nicht zuletzt ergeben sich aus neuen mobilen Antriebskonzepten Fragestellungen, die ein hohes Potential für zukünftige Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der WNV beinhalten.

Dauerfestigkeit vs. Lebensdauer

Bei der Dimensionierung von WNV überwiegt nach wie vor die Forderung nach Dauerfestigkeit, also praktisch unbegrenzter  Lebensdauer. Angesichts hoher Drehzahlen in der Antriebstechnik, langer Laufzeiten beispielsweise bei der Bahn und der Windkraft ist dies durchaus verständlich. Fragen ergeben sich aber hinsichtlich der zugrundeliegenden Belastung und ggfls. zum reibkorrosiven  Einfluss. Nahezu alle Antriebsaggregate unterliegen einem Lastkollektiv, so dass die Einbeziehung der s. g. Betriebsfestigkeit, die auch Belastungen oberhalb der Dauerfestigkeit einschließt, zunehmend an Bedeutung gewinnt. Damit sind Aussagen zur Lebensdauer unvermeidbar.

Ein weiterer teilweise auch kritischer Diskussionsgegenstand bei der Dimensionierung von WNV ist die Einbeziehung der Reibdauerbeanspruchung. Sie wird verursacht durch die unterschiedlichen Steifigkeiten von Welle und Nabe und führt im Bereich der Lasteinleitung (z. B. Nabenkante) zu Relativverschiebungen. Treten diese fortlaufend auf, entstehen Reibkorrosion und partielle Verschweißungen mit der Folge von Anrissen an der Wellenoberfläche. Obwohl diese nicht immer versagensrelevant sind, führen sie zu Unsicherheiten, teilweise auch zu Ausfällen oberhalb heute üblicher Grenzlastwechselzahlen. Demzufolge rücken Aussagen zur Lebensdauer zunehmend in den Fokus von Funktionsbeschreibungen. Dies kann förderlich für die Verbesserung der Leistungsdichte sein, wie mobile antriebstechnische Auslegungen eindrucksvoll zeigen.

Fügen durch Umformung

Umformtechnische Fügeverfahren für Welle-Nabe-Verbindungen rücken vor allem wegen ihres wirtschaftlichen Potenzials immer stärker in den Fokus der wissenschaftlichen Forschung. Während bei herkömmlichen Verbindungen beide Fügepartner einer hochgenauen Feinbearbeitung unterzogen werden müssen, um Spielfreiheit zu garantieren, stellt sich durch den Umformprozess ohne weiteres eine spielfreie Verbindung ein. Kombinierte reib- und formschlüssige Verbindungen lassen sich z. B. durch Quer-Fließpressen auch mit grober Tolerierung der Fügeflächen in einem Arbeitsschritt herstellen. Eine hochgenaue Zentrierung der Bauteile wird dabei durch das Umformwerkzeug sichergestellt.

Aktuelle Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet befassen sich u. a. mit dem Fügen von Zahnkränzen auf fertig bearbeitete Wellen durch Umformen eines Zwischenelements. Ebenso ist die dreidimensionale Optimierung der Fügeflächen mit Profilen auf Basis von komplexen Zykloiden Gegenstand der aktuellen Forschung, um die Dauerfestigkeit derartiger Verbindungen weiter zu steigern.

Optimierung der Kerbwirkung

Der potentielle Bruchort wird bei freien Oberflächen immer durch die höchste Spannungskonzentration in der Kerbe eines Bauteils charakterisiert. Folglich ist die Reduzierung der spannungsmechanischen Beanspruchung eine vordringliche Aufgabe für den zuständigen Berechnungsingenieur. Die in DIN 5480 genormten Zahnwellenverbindungen mit evolventischem Profil werden in der Praxis vielfältig eingesetzt. Dennoch bieten sich bei diesen erhebliche Optimierungspotentiale, wie neuere Forschungsarbeiten zeigen. Vordergründig ist dabei die Zahnfußausrundung zu nennen, die in der DIN 5480 für spanende Herstellung mit einem technisch nicht mehr sinnvollen Mindestmaß von 0,16*m vorbesetzt ist.

Neben einer zweckmäßigen Vergrößerung des Zahnfußradius bieten trochoidische Profilformen weitere Optimierungspotentiale, die wesentlich durch deren kerbarme kontinuierliche Profilgeometrie bestimmt werden. Durch die flexible Parametrierung der trochoidischen Profile lassen sie sich aufgabenspezifisch

Fazit

Zur Vertiefung der hier aufgezeigten Themenfelder sowie zur Beantwortung weiterer offener Fragestellungen, verbunden mit dem Kennenlernen neuer Verbindungen und Verbindungstechnologien, wird auf die VDI-Tagung Welle-Nabe-Verbindungen 2018 im November in Stuttgart verwiesen. Diese wird geleitet vom ehemaligen Direktor des Instituts für Konstruktions- und Antriebstechnik Prof. i.R. Dr.-Ing. Erhard Leidich, der über 25 Jahre die Forschung an Welle-Nabe-Verbindungen wesentlich geprägt hat. 

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