Investigation of innovative, high-strength threads in fiber reinforced plastic shafts and their notch-effect under rotating bending stress

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Helmut Schürmann
• Subject Area: Lightweight Construction, Textile Technology ; Engineering Design, Machine Elements, Product Development
• Term: from 2012 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 231472657

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Das abgeschlossene Vorhaben wurde in zwei Arbeitspaketen bearbeitet. Zunächst wurde eine optimierte Gewindeform für CFK-CFK-Wellengewinde entwickelt. Anschließend wurde die Wirkung von Kerben auf CFK-Probekörper bei umlaufender Biegebelastung untersucht. Für die Gewindeoptimierung wurde zunächst in einer, auf einer umfangreichen Normen-Recherche basierenden, numerischen Simulationsreihe ein Referenzgewinde für CFK-Wellengewindeverbindungen ermittelt. Hier erwies sich ein flaches Trapezgewinde nach DIN 380 als bester Kompromiss. Anschließend wurde in einer numerischen Optimierung ein flaches Sägezahngewinde entwickelt, das noch höhere Tragfähigkeiten verspricht. Zur experimentellen Absicherung der Simulationsergebnisse wurden erstmals Gewinde in CFK-Wellen geschliffen. Hierbei wurde sowohl das Referenzgewinde, als auch das optimierte Gewinde hergestellt und geprüft. Im Versuch zeigt das optimierte Gewinde etwa die doppelte Tragfähigkeit wie das einfache Normgewinde. Für die Untersuchung der Kerbwirkung wurde ebenfalls zunächst mit einer numerischen Simulation begonnen. Hier zeigte sich bereits, dass CFK- und Stahlwellen grundsätzlich unterschiedlich auf Kerben reagieren. Zur experimentellen Bestimmung dieses Unterschieds wurde ein vorhandener Prüfstand umfänglich umkonstruiert, um normgerechte CFK- und Stahl-Proben prüfen zu können. In den Versuchen zeigt sich zum einen die bessere „Kerbbeständigkeit“ von CFK-Wellen gegenüber Stahl, aber überraschenderweise auch, dass die CFK-Proben ebenfalls schlagartig versagen. Als Grund hierfür konnte im Nachhinein mit Hilfe von Schliffproben ein Druckversagen der CFK-Schichten ausgemacht werden.

Publications

• Beitrag zur Gestaltung funktionsintegrierender, leichtbauoptimierter Faser-Kunststoff- Verbund-Wellen für den Maschinenbau. TU Darmstadt, Dissertation, 2014, Shaker Verlag
  Klimach
  
• Beitrag zur konstruktiven Gestaltung einer Präzisionslagerung hochsteifer Faserverbund-Wellen. In „Konstruktion“ Ausgabe 3, 2015
  Klimach/Schürmann
  
• DE 10 2013 107 178 A1, 2015.01.08, Verbindungsabschnitt und Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsabschnitts
  Schürmann, Klimach, Elter
  
• Werkstoffsubstitution von Stahl durch CFK im Werkzeugmaschinenbau am Beispiel einer Motorspindelwelle, SAMPE Symposium 2015, Darmstadt
  Klimach/Schürmann