antriebstechnik 3/2017

Zykloiden höherer Stufe − Alternative für
formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen
01 M50-Profil mit variierter Mitnehmerzahl z sowie bezogener Exzentrizität ε
In Teil 2 dieser Artikelserie geht es nun um die
Ermittlung der Torsionsspannung sowie der
rechnerischen Kerbwirkungszahl für torsionsbelastete
Profilwellen auf Basis der Zykloiden höherer Stufe
sowie den Vergleich mit dem nach DIN 5480
genormten Evolventenzahnprofil.
M.Sc. Marcus Selzer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Professur
Maschinenelemente an der Fakultät für Automobil- und Maschinenbau
der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Prof. Dr.-Ing. habil. Masoud Ziaei ist Inhaber der Professur
Maschinen elemente an der Fakultät für Automobil- und Maschinenbau
der Westsächsischen Hochschule Zwickau
In Teil 1 dieses Artikels [1] wurden drei neuartige Profilkonturen
auf Basis der Zykloiden höherer Stufe [2] vorgestellt, welche im
Vergleich zu den derzeitig genormten und praktisch eingesetzten
formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) große mechanische
Vorteile besitzen, wie die Arbeiten [3], [4] und [5] gezeigt
haben. In [1] stand das Versagensverhalten der Verbindung bei
dynamischer Torsionsbelastung im Mittelpunkt der Untersuchungen.
Für eine formschlüssige WNV auf Basis des neuartigen M50-
Profils mit insgesamt vier Exzentrizitäten wurde eine experimentell
ermittelte Dauerfestigkeit sowie darüber hinaus eine statische
Grenzbelastung angegeben. Weiterhin erfolgte auf Basis der experimentellen
Bestimmung des Anrissortes bei dynamischer Belastung
der Nachweis der Gültigkeit des erweiterten Ruiz-Kriteriums [6] auf
Grundlage des Reibkorrosionsparameters MFFDP (Modified Fatigue
Fretting Damage Parameter), was für eine rechnerische Erfassung
und Bewertung der Reibkorrosion von großer Bedeutung ist.
In Teil 2 steht nun die Untersuchung der Torsionsspannung τ t
des
bereits im ersten Teil untersuchten M50-Profils sowie einer weiteren
Variante mit reduzierter Exzentrizität des gleichen Profiltyps im
Fokus. In vielen Anwendungsbereichen formschlüssiger WNV versagten
die Wellen durch Bruch, wie umfangreiche experimentelle
Untersuchungen an evolventischen Zahnwellenprofilen (z. B. in
[7]) gezeigt haben. Die für diesen Versagensfall verantwortliche
profilabhängige maximale Torsionsspannung τ t ,max
kann hierbei
experimentell sowie durch die Finite-Elemente-Methode (FEM)
direkt bestimmt werden. Beide Möglichkeiten sind jedoch sehr
teuer und zeitintensiv. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten
numerisch basierten Berechnungsmodell für die Maximalspannung
wird eine schnelle und kostengünstige Berechnung für die
neuen Profilkonturen auf Basis der Zykloiden ermöglicht. Darüber
hinaus kann die maximale Torsionsspannung τ t ,max
in der Welle
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