Berechnungsgrundlagen für die Dimensionierung spielbehafteter Längsstift-Verbindungen
Final Report Abstract
Mit den in dem Vorhaben erzielten Ergebnissen sind die Grundlagen für das Verständnis und die Berechnung von Längsstiftverbindungen erweitert worden. Es wurden Finite-Elemente-Berechnungen mit 3D-Vollmodellen bei elastisch-idealplastischem Materialverhalten durchgeführt. Untersucht wurden die Auswirkungen verschiedener geometrischer Parameter auf den Anteil der plastischen Verformungen in Welle, Nabe und Stift. Hier zeigte sich, dass die Einstiftverbindung mit geringem Stiftdurchmesser bei zunehmender Torsionsbelastung die größten plastischen Verformungen in der Welle verursacht. Durch Verringerung des Spiels zwischen Welle und Nabe der Verbindung werden die Verformungen sowohl für Welle und Nabe als auch im Stift erheblich reduziert. Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion der Wellenbelastung bei der Einstiftverbindung, insbesondere bei geringem Stiftdurchmesser, ist die Verringerung des Spiels zwischen Stift- und Stiftbohrung. Eine Presspassung wäre hier jedoch kontraproduktiv, würde auch den Nutzen der spielbehafteten Längsstiftverbindung in der Praxis erheblich einschränken. Die Verbindungen mit großem Stiftdurchmesser reagieren in der Simulation erheblich unempfindlicher auf die Veränderung der Geometrieparameter Spiel Welle / Nabe und Spiel Stift / Stiftbohrung. Durch die experimentellen Untersuchungen konnten erstmals Erkenntnisse zur Gestaltfestigkeit von Längsstiftverbindungen unter Torsionsbelastung gewonnen werden. Die wichtigsten Ergebnisse hierbei sind, dass die Dreistiftverbindungen mit großem Stiftdurchmesser die höchste Torsionsschwellamplitute dauerfest erträgt, gefolgt von der Dreistiftverbindung mit geringem Stiftdurchmesser. Eine Verlängerung der Welle-Nabe-Verbindung von lf/DaI = 1 auf lf/DaI = 1,4 steigert die Gestaltfestigkeit bei der Einstiftverbindung merklich. Zum Vergleich der Ergebnisse wurden auch Passfederverbindungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Längsstiftverbindung bei der Übertragung von sowohl schwellenden als auch wechselnden dynamischen Torsionsbelastungen der Passfederverbindung überlegen sein kann. Im Gegensatz zu gängigen Empfehlungen zur Passfederauslegung hat bei Längsstiftverbindungen unter Torsionsbelastung ein überlagerter Pressverband keinen Nutzen für die Gestaltfestigkeit. Dünnwandige Naben (Durchmesserverhältnisse QA = DaI/DaA von QA = 0,71) in Verbindung mit Stiften geringen Durchmessers versagten in den dynamischen Torsionsversuchen durch Bruch der Nabe. Stiftbrüche traten in den Versuchen nur bei Längsstiftverbindungen mit gehärteten Hohlspannstiften oder als Folge von Wellenbrüchen auf. Unter umlaufender dynamischer Biegebelastung und kombinierter Belastung (statische Torsion und umlaufende Biegung) versagten die Verbindungen durch Wellenbruch. Hier sind besonders der starke abrasive Verschleiß an Welle und Nabe und der Bruch der Welle zur Nabenmitte hin beachtenswert. Eine stärkere Torsionsmittelspannung und eine gleichzeitig überlagerte Presspassung könnte hier die Gestaltfestigkeit erheblich erhöhen. In dem Forschungsvorhaben wurden unter anderem erstmals Gestaltfestigkeitsuntersuchungen an Längsstiftverbindungen durchgeführt. Insbesondere in Hinblick auf vergleichbare Passfederverbindungen sind die Ergebnisse sehr viel versprechend; die Überlegenheit der Längsstiftverbindung konnte in dynamischen Torsionsversuchen aufgezeigt werden. Die Ergebnisse stellen eine gute Ausgangslage für fortführende Forschungsarbeiten dar. Weitere Untersuchungen, gerade im Bereich der praxisrelevanten kombinierten Torsions- / Biegebelastung, sind noch dringend erforderlich. Dabei sind insbesondere die Füge- und Geometrieparameter (Spiel- und Presspassung, Verbindungslänge, Nabenwandstärke usw.) und auch die Belastungen bzw. deren Verhältnis zueinander von besonderem Interesse. Grundsätzliche Untersuchungen zur Optimierung, wie zum Beispiel die Bestimmung eines werkstoffabhängigen Grenzmaßes für die Mindestwandstärke der Nabe oder die Untersuchung von Reihen kaltumgefomter Längsstiftverbindungen, sollten durchgeführt werden. Die Ergebnisse der bisherigen Forschung wurden in Rahmen von Tagungen dem Fachpublikum vorgestellt und stießen auf großes Interesse, gerade im Bereich des Schwermaschinenbaus wie der Bergwerks- und Walzwerkstechnik.
