Zur Gestaltung eines Krafteinleitungsbereichs zur Einleitung sehr hoher lokaler Querkräfte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Vorhaben befasste sich mit der Analyse und Gestaltung von Krafteinleitungen in Hebel aus Faser-Kunststoff-Verbunden. Ziel war die Analyse der Beanspruchungen in der Hebelkrafteinleitung, hauptsächlich unter Querkraftbelastung durch einen Bolzen. Ausgehend von der Analyse wurden Gestaltungsempfehlungen abgeleitet, die die Entwicklung von leistungsfähigen und wirtschaftlichen FKV-Hebelkrafteinleitungen mit hoher Leichtbaugüte ermöglichen. Die Querkrafteinleitung mit einem Bolzen erzeugt über dem Bolzenloch eine asymmetrische Kontaktdruckverteilung. Das Maximum der Kontaktdruckverteilung liegt an der Stelle der geringsten Nachgiebigkeit, der Haupt-Lastaufnahme. In der querkraftbelasteten Krafteinleitung entsteht eine Längskraftkomponente, die mit großen Deformationen der Hebelkrafteinleitung steigt. Eine steifere Hebelkrafteinleitung senkt die resultierende Längskraft und der Kontaktdruck wird bei gleicher Querkraft reduziert. Nach einer Patent- und Literaturrecherche konnten drei FKV-Hebelbauformen als Stand der Technik benannt werden: der Laschenhebel als einfacher Laminatstreifen mit Bolzenloch, der Schlaufenhebel als umwickeltes Bolzenloch und Mittellaminat und der Sonderhebel mit individuell angepassten Faserorientierungen. Zudem wurde eine Reihe von Maßnahmen recherchiert, die bei der Bolzenverbindung von FKV- Bauteilen zur Verstärkung angewandt werden. Zwei neue Hebelbauformen wurden entwickelt: ein Hebel mit σ-Schlaufe als Kombination aus einer Längskraftschlaufe und einer Querkraftschlaufe und ein Laschenhebel mit Θ-Schlaufe, die aus der Aufweitung vorgestanzter Löcher in den Hebelschichten entsteht. Die verschiedenen Hebelbauformen wurden in numerischen Berechnungen auf ihre Belastbarkeit in Querrichtung untersucht. Die besten Ergebnisse wurden mit Hebelbauformen erzielt, die mit einer hohen Tangentialsteifigkeit und -festigkeit um das Bolzenloch die Beanspruchung in der Krafteinleitung senken. Die Hebelbauformen wurden in Bauteilversuchen in mehreren Lastrichtungen untersucht. Die Ergebnisse aus den FEM-Berechnungen wurden dabei bestätigten. Die Hebel versagten unabhängig von der Bauform in der Haupt-Lastaufnahme. Der Θ-Hebel erreichte die höchsten Versagenslasten. Die momentenfeste Hebelkrafteinleitung wurde als Längspressverband einer Welle mit dem Bolzenloch des Hebels umgesetzt. Von vorrangigem Interesse war, ob die bewährte Auslegung des Längspressverbands auch auf diesen Fall übertragbar ist. FEM-Berechnungen und Bauteilversuche zeigten, dass die Hebel-Welle-Verbindung als Längspressverband tragfähig ist und nach bekannter Methode ausgelegt werden kann. Mit diesem Vorhaben wurde gezeigt, dass der FKV-Hebel und speziell die Hebelkrafteinleitung hohe Kräfte und Momente erträgt. Dabei können einfache und kostengünstige Fertigungsverfahren angewendet werden. Das Potenzial der FKV-Hebel kann in zahlreichen Anwendungen genutzt werden und damit die Leichtbauanwendungsgebiete von Faser-Kunststoff-Verbunden erweitern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Zur Gestaltung von Kardangelenken aus Faser-Kunststoff- Verbunden, AVK-Tagung 2012, Düsseldorf
Bleser, Schürmann
- Development and Analysis of a Composite Flange to attach a highly loaded Cardan Joint, SAMPE Europe 8th SETEC Technical Conference 2013, Wuppertal
Bleser, Schürmann, Riechwald
- Zur konstruktiven Gestaltung von Kardangelenken aus Faser-Kunststoff-Verbunden in Konstruktion, 7/8 2013
Bleser, Schürmann
