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

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projekts wurde eine simulationsbasierte Methode zur Gestaltung von optimierten reib- und formschlüssigen 3D-Profilen für mittels Quer-Fließpressen hergestellte Welle-Nabe-Verbindungen (Q-WNV) entwickelt. Die Methode erlaubt eine Anpassung der Fügeflächengeometrie an die umformtechnisch bedingte ballige Form des gefügten Wellenabschnitts, welche bisher eine unvollständige Formfüllung und einen stark inhomogenen Fugendruckverlauf verursacht hat. Dabei wurde stets von einer bereits gehärteten und fertigbearbeiteten Nabe sowie eine relativ „weichen“ Welle ausgegangen, die axial plastisch gestaucht wurde. Durch Sicherstellen einer nahezu vollständigen Formfüllung und einer vorteilhaften Fugendruckverteilung wurde mit den erzeugten 3D-Fügeflächen eine Steigerung der dynamischen Torsionsfestigkeit im Vergleich zu bisherigen Profilen mit konstantem Querschnitt erreicht. In Dauerlaufversuchen unter schwellender Torsion wurde eine Festigkeitssteigerung von bis zu 26 % nachgewiesen. Es wurden Zusammenhänge zwischen der Fugendruckverteilung und der Beanspruchung von Welle und Nabe gefunden und vorteilhafte Fugendruckverteilungen identifiziert, die sich als Zielfunktion für die Festigkeitsoptimierung von Q-WNV eignen. Lokale Bauteileigenschaften wie Eigenspannungen und Dehnungen, die aus der Umformung resultieren und zu Festigkeitssteigerungen führen, wurden erfolgreich vom FE-Programm der Umformsimulation in das FE-Programm der Strukturmechaniksimulation übertragen. Die 3D-Fügeflächen können in den verwendeten Naben durch das wirtschaftliche Unrunddrehverfahren, welches bessere Oberflächenqualitäten bei geringeren Fertigungstoleranzen und Fertigungszeit gegenüber Fräsverfahren bietet, im weichen Zustand komplett fertigbearbeitet werden. „Überraschungen“ dieses Projekts: Hohe Sensitivität der Umformsimulation bezüglich vieler Randbedingungen wie die Genauigkeit der Abbildung von Werkzeugsteifigkeiten, Reibungsverhältnisse und Bauteiltoleranzen. Ein Modellabgleich mit experimentellen Umformergebnissen ist erforderlich. - Die Fertigungstoleranzen der Fügepartner müssen zur Sicherstellung von gleichbleibenden Umformergebnissen berücksichtigt werden. Eine toleranzbasierte Paarung der zu fügenden Teile wird empfohlen. - Der Aufwand von Simulation, Optimierung, Herstellung und Vermessung von unrunden 3D-Profilen ist im Vergleich zu rotationssymmetrischen Profilen um ein vielfaches höher. - Die Verwendung höherfester Wellenwerkstoffe ist durch die Höhe der Nabenbeanspruchung begrenzt. Bei der untersuchten Verbindung führte der Wellenwerkstoff 42CrMo4 aufgrund des höheren Fugendrucks und der damit verbundenen Zugspannungen in der Nabe zu einer deutlich niedrigeren dynamischen Torsionsfestigkeit als der weichere Werkstoff 16MnCr5.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Improved Structural Mechanics Simulation by Considering Residual Stress and Strain Properties from Metal Forming Simulation. Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications, 2019, S. 397–402
  Ulrich, D., Binz, H., Meissner, R., Liewald, M., Dietrich, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9780429426506-70)
• Iterative design method for plastically stressed shaft–hub connections with optimized contact stress. In: Proceedings of the NAFEMS World Congress, 2019, S. NWC19-403
  Ulrich, D., Binz, H., Meissner, R., Liewald, M.
  
• Numerical study on the applicability to manufacturing of contact-stress-optimised shaft–hub connections joined by lateral extrusion. Manuf. Rev. 7, 21, 2020
  Meissner, R.J.-P., Liewald, M., Ulrich, D., Binz, H.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1051/mfreview/2020016)
• An Enhanced Design Method for 3D Contact Surfaces on Shaft– Hub Connections Joined Through Lateral Extrusion. Applications in Engineering Science, 6, 100047, 2021
  Ulrich, D., Binz, H.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apples.2021.100047)