Polygon-Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) übertragen Drehmomente und Axialkräfte formschlüssig. Ihre selbstzentrierende Wirkung und gleichmäßige Flächenpressung machen sie zu einer attraktiven Alternative gegenüber der Keilwellenverbindung. Die Normungsgeschichte dieser Verbindungsart spiegelt dabei stets den Stand der jeweils aktuellen Fertigungstechnik wider.
1. Historische Entwicklung
Die Normung von Polygonprofilen war über viele Jahrzehnte primär fertigungstechnisch bestimmt, und weniger durch geometrische oder festigkeitstheoretische Überlegungen geprägt.. Die Wurzeln der Polygonverbindungen liegen in den sogenannten K-Profilen, die eine epitrochoidische Geometrie aufweisen – eine Kurve, die durch Abrollen eines Kreises auf der Außenseite eines anderen Kreises entsteht. Erstmals industriell gefertigt wurden diese Profile 1935 von der Firma Krause in Österreich mit einer eigens entwickelten Sondermaschine, woraus sich die Bezeichnung „K-Profile“ ableitet [1].
In den 1960er-Jahren führte der Wunsch nach höherer Maschinensteifigkeit und Übertragungsgenauigkeit zur Weiterentwicklung hin zu den heute als P3G-Profile (DIN 32711) und P4C-Profile (DIN 32712) bekannten Profilen [2, 3]. Die Geometrie dieser Profile wurde maßgeblich durch eine neu entwickelte Sonderschleifmaschine geprägt: Die Maßreihen wurden direkt an die verbauten Getriebe und deren Übersetzungsverhältnisse angepasst. Die Folge waren geometrisch nicht ähnliche Maßreihen – ein P3G-Profil mit 30 mm Durchmesser ist keine skalierte Version eines 20-mm-Profils.
Diese historisch gewachsene Inkonsistenz führt zu einer grundlegenden Schwierigkeit bei der Auslegung und Dimensionierung von Polygonverbindungen. Die empfohlenen Berechnungsvorschriften sind stark vereinfacht und basieren auf stark vereinfachenden Annahmen, etwa einem linear-elastischenMaterialverhalten oder der Vernachlässigung von Flankenpressungsgradienten [4, 5].
2. Die neue Normengeneration: DIN 3689
Erst im Jahr 2020 wurde mit der DIN 3689 eine grundlegend neue Norm für Polygonverbindungen veröffentlicht [6]. Diese basiert nicht mehr auf epitrochoidischen, sondern auf hypotrochoidischen Konturen (H-Profile). Bei der Hypotrochoide rollt ein Kreis im Inneren eines anderen Kreises ab, was zu veränderten Spannungs- und Schmierungsbedingungen führt. Forschungen der FVA belegen eine bis zu 60 % höhere dynamische Tragfähigkeit der Hypotrochoide gegenüber konventionellen Passfedern [7].
Die DIN 3689 ist dreiteilig aufgebaut:
Teil 1 (veröffentlicht) enthält die vollständige geometrische Beschreibung der H-Profile in analytischer Form sowie umfangreiche Maßreihen für unterschiedliche Flankenzahlen und Profilexzentrizitäten [6]. Erstmals liegt eine geometrisch ähnliche Maßsystematik vor, die eine systematische Skalierung über verschiedene Baugrößen hinweg erlaubt.
Teil 2 (in Bearbeitung) widmet sich der Berechnung und Dimensionierung – unterteilt in Teil 2-1 (Profilwelle) und Teil 2-2 (Profilverbindung). Die Berechnungsmethoden orientieren sich an etablierten Verfahren der Verzahnungstechnik [8].
Teil 3 (in Bearbeitung) behandelt Herstellung und Tolerierung. Zwei Fertigungsverfahren werden detailliert beschrieben: das Unrunddrehverfahren (Zweispindelverfahren sowie oszillierendes Unrunddrehen) und das Abwälzfräsen [8].
3. Modulare Fertigung als Schlüsselinnovation
Die bedeutendste Neuerung ist die Einführung von Normmoduln für H-Profile, analog zur Verzahnungstechnik [6, 8]. Die exakte, analytisch bestimmte Werkzeuggeometrie – abgeleitet aus dem Verzahnungsgesetz – ermöglicht eine modulare, wirtschaftliche Fertigung auf Standard-CNC-Maschinen ohne geometrische Abweichungen. Dies ist ein entscheidender Fortschritt gegenüber den maschinenabhängigen Sonderanfertigungen der Vorgängernormen [8].