Entwicklung von 3D-Fügeflächengeometrien für mittels Quer-Fließpressen hergestellte Welle-Nabe-Verbindungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hansgeorg Binz; Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397117393

Im Maschinenbau werden reib- oder formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen durch Fügen der fertig bearbeiteten Bauteile erzeugt. Für einen einfachen Fügeprozess ist jedoch Spiel erforderlich, welches sich oft nachteilig auf die Verbindung auswirkt. Kalt gefügte formschlüssige Verbindungen unterliegen dadurch einem Betriebsspiel, das bei wechselnder Belastung zu Reibkorrosion und vorzeitigem Bauteilversagen führen kann. Bei warmgefügten reibschlüssigen Verbindungen hingegen besteht die Gefahr des Wiederanlassens bereits gehärteter Bauteile und der Entstehung von Oxidschichten in der Fügezone. Neuere Entwicklungen zeigen Möglichkeiten zur umformtechnischen Herstellung von Welle-Nabe-Verbindungen auf, ohne die oben genannten Nachteile. Das Innenhochdruckfügen ist bereits für verschiedene Produkte im Fahrzeugbau etabliert, kann jedoch nur bei relativ dünnwandigen, nicht gestuften Hohlwellen eingesetzt werden. In Vorarbeiten des IFU und des Projektpartners IKTD wurde gezeigt, dass durch Quer-Fließpressen auch mehrfach abgesetzte Wellen formschlüssig gefügt werden können. In weiteren Untersuchungen wurden zudem vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Übertragungsfähigkeit derartiger Verbindungen erzielt. Vorteilhaft ist dabei vor allem die Möglichkeit des kalten Fügens bei gleichzeitiger Erzeugung eines bleibenden Fugendrucks in der Verbindung. Zusätzlich entfällt die enge Tolerierung der Fügegeometrie, da die Welle im Ausgangszustand als Rohteil vorliegt. Nachteilig ist jedoch die bisher fehlende Berücksichtigung der sich einstellenden balligen Kontur der querfließgepressten Welle bei der Gestaltung der Fügeflächengeometrie. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Ausformung und Fugendruckverteilung in der Verbindung und somit zu einer hohen Reibdauerbeanspruchung bei wechselnder Belastung.Durch einen grundlegend neuen Ansatz sollen im beantragten Projekt die bisher unberücksichtigten Einflüsse aus dem Fügeprozess in die Feingestaltung der Fügeflächengeometrie mit einbezogen werden. Mit einer dreidimensionalen Gestaltung der Nabeninnengeometrie werden sowohl eine vollständige Ausformung als auch eine gezielte Modifizierung der Fugendruckverteilung in der Verbindung angestrebt. Dadurch kann die Reibdauerbeanspruchung minimiert und die bestehenden Potenziale zur weiteren Steigerung der statischen und dynamischen Übertragungsfähigkeit in Kombination mit höherfesten Werkstoffen ausgeschöpft werden. Durch die sorgfältige Berücksichtigung von Werkstoffeigenschaften mithilfe einer gekoppelten Simulationsmethodik aus Umform- und Strukturmechaniksimulation soll eine universelles Gestaltungsmodell zur Geometrieentwicklung erarbeitet werden, welche geometrische, werkstoffliche, prozess- und anwendungsbedingte Anforderungen berücksichtigt und somit in einem umfassenden Anwendungsfeld gültig ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen