antriebstechnik 10/2017

05
F f, max
in kN
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
06
R F
07
T/T τS
Experimentell ermittelte maximale und normierte
Fügekräfte für vier unterschiedliche Nabenwerkstoffe mit
D aI
= 30 mm, ϕ = 5°, l F
/D aI
= 0,5, Q A
= 0,32 sowie U geo
= 1/3 t
und 2/3 t [3]
1 F
0,0 0,2
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
EN AW-7075-T651
EN AW-6082-T6
EN AW-6060-T66
EN AW-5083
F f
0,4 0,6 0,8 1,0
U geo
in mm
Einfluss des Fasenwinkels der Welle ϕ auf die relative
Festigkeit R F
einer RPV mit D aI
= 15 mm und Nabenwerkstoff
EN AW-6082-T6; 5° ≤ ϕ ≤ 110°, 1/3 t ≤ U geo
≤ 3/3 t,
0,27 ≤ l F
/D aI
≤ 1,00 [3]
überwiegend
Formen
0 10 20 30 40 50 60
in °
Experiment
FEM
Ausgleichsgerade
überwiegend
Schneiden
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
F f, max
/F f, max, Ugeo = 2/3t, 6082
70 80 90 100 110 120
Torsionsmoment-Verdrehwinkel-Kurve – Auslegungskriterium
und Versagenskriterium bei statischer Torsion des RPV
mit D aI
= 15 mm, ϕ = 5°, U geo
= 1/3 t und l F
/D aI
= 0,27 [3]
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
φ T
= 0,1 °
Auslegungskriterium
p F
, T pF
φ T
in °
Versagenskriterium
τ S
, T τS
0,0
0 2 4 6 8 10
T
1 F
Bei einem Winkel von 15° ≤ ϕ ≤ 60° liegt eine Kombination des formenden
und schneidenden Fügevorgangs vor. Bei einem Fasenwinkel
der Welle von ϕ > 60° bildet sich ein vorwiegend schneidender
Fügevorgang aus. Der Nabenwerkstoff wird dabei im Bereich
der Rändel axial herausgeschnitten. Für die Untersuchungen des
rein schneidenden Fügevorgangs wurde der Fasenwinkel von
ϕ = 90° gewählt. Nach dem Beginn des Schneidevorgangs setzt sich
der Fügekraftbedarf vereinfacht aus der Zerspanungs- und der
Reibkraft zusammen. Der rein schneidende Fügevorgang hat den
Vorteil eines geringen Fügekraftbedarfs sowie einer geringen Aufweitung
der Nabe.
Geometrisches Übermaß
In Bild 04 sind die experimentell ermittelten maximalen Fügekräfte
bei Variation des geometrischen Übermaßes U geo
und der Länge der
Fuge l F
für formend gefügte RPV mit ϕ = 5° und einem Wellendurchmesser
von D aI
= 15 mm abgebildet. Hierbei zeigt sich die
bereits erwartete lineare Abhängigkeit von U geo
und l F
auf die maximale
Fügekraft. Dies gilt letztlich unabhängig vom Fasenwinkel,
also auch für schneidend gefügte RPV.
Bei einem Profilöffnungswinkel von α = 90° sind die Rändel der
Welle bei einem geometrischen Übermaß von U geo
= 3/3 t zu 100 %
ausgefüllt. Übersteigt das geometrische Übermaß den Wert von
3/3 t nimmt die Fügekraft weiter zu. Die Zunahme des Übermaßes
bewirkt jedoch keine weitere Steigerung der Übertragungsfähigkeit,
sondern vergrößert lediglich die maximale Fügekraft.
Nabenwerkstoff
Die großen Verformungen beim formenden Fügevorgang mit
5° ≤ ϕ ≤ 15° führen zu einem hohen Fugendruck und zu einer Verfestigung
des Werkstoffes. Die Fließkurven in [3] und [18] zeigen, dass
die verwendeten Aluminium-Knetlegierungen EN AW-5083, EN
AW-6060-T66, EN AW-6082-T6 und EN AW-7075-T651 zur Kaltverfestigung
neigen. Bild 05 veranschaulicht die maximalen Fügekräfte
der formend gefügten RPV mit D aI
= 30 mm bei Variation des geometrischen
Übermaßes und der Nabenwerkstoffe. Die Stufung der
Grundfestigkeiten sowie die Verfestigungsneigung ist aus den experimentell
ermittelten Fügekräften ersichtlich. Es zeigt sich, dass die
Unterschiede in der Fügekraft zwischen der hochfesten Knetlegierung
EN AW-7075-T651 und den anderen Legierungen nicht so
deutlich ausfallen, wie die 0,2-%-Dehngrenzen der untersuchten
Werkstoffe vermuten lassen, siehe Tabelle. Ursache dafür könnte
eine verminderte Reibungszahl zwischen Welle und Nabe sein.
Lösevorgang und relative Festigkeit
Nach einer Sitzzeit von 24 h wurden die RPV demontiert. Im Unterschied
zur reibschlüssigen PV sind die Lösekräfte stets kleiner als
die Fügekräfte, siehe Bild 03. Dies ist damit begründet, dass beim
Lösen keine Formänderungs- beziehungsweise Zerspanungskraft
notwendig ist.
Um die Verbindung hinsichtlich der Übertragungsfähigkeit axialer
Kräfte sowie übertragbarer Torsionsmomente zu beurteilen,
wurde in Anlehnung an [19] die relative Festigkeit R F
als Verhältnis
von maximaler Lösekraft und maximaler Fügekraft definiert und
Gleichung 3 abgeleitet. R F
stellt eine relative (axiale) Festigkeit dar,
ist ein Gütekennwert für die gezielte Auswahl und dient der Bewertung
von RPV aus Stahl und Aluminium.
Bei den experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigte
sich, dass die relative (axiale) Festigkeit unabhängig vom Wellendurchmesser,
vom geometrischen Übermaß und vom Nabenlängenverhältnis
ist, vergleiche Bild 06. Wie die numerischen Untersuchungen
weiterhin zeigten, ist R F
auch weitgehend unabhängig
vom Durchmesserverhältnis der Nabe im Bereich von 0,3 ≤ Q A
≤ 0,7
[20], [21]. Für dünnwandige Naben mit einem Q A
> 0,7 werden in
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