Einblick in die Festigkeitsberechnung nach DIN 3689 genormter hypotrochoidischer Welle-Nabe-Verbindungen unter reiner Torsionsbeanspruchung

Abstract

ZusammenfassungIm Bereich der modernen Antriebstechnik sind immer höhere Leistungsdichten gefordert, weshalb die herkömmlichen formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen zunehmend an ihre mechanischen Grenzen stoßen. Vor diesem Hintergrund erschien im November 2021 die Norm DIN 3689 Teil 1 für die hypotrochoidische Profilgeometrie als vielversprechende Alternative, welche in genannter Norm die Abkürzung H‑Profil erhalten hat. Auf Basis umfangreicher Bauteilversuche nach dem Treppenstufenverfahren wurde ihr dynamisches Tragverhalten bei einer schwellenden Torsionsbelastung untersucht. Die unter dieser Vorgehensweise ermittelten experimentellen Kerbwirkungszahlen sowie ertragbaren Torsionsmomentamplituden geben einen ersten Einblick in die dynamische Torsionsbeanspruchbarkeit in Abhängigkeit der Profilparameter Mitnehmerzahl und Profilexzentrizität. Ergänzend wurde auch der Einfluss des Werkstoffs der Welle betrachtet.Für die alleinige H‑Profilwelle ohne Nabe existieren bereits verlässliche Berechnungsgleichungen, welche auf einer analytischen Methode beruhen. Für den statischen Lastfall wurden diese Gleichungen bereits experimentell abgesichert. Die Ergebnisse werden im hier vorliegenden Beitrag für die reine Torsionsbeanspruchung vorgestellt und zeitnah in den Berechnungsteil 2 der Norm DIN 3689 einfließen. Damit wird dem Konstrukteur ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, womit er zukünftig die Auslegung der H‑Profilwellen und die Berechnung erforderlicher statischer Sicherheiten vornehmen kann. Zur Abschätzung der dynamischen Übertragungsfähigkeit werden rein rechnerische Kerbwirkungszahlen der untersuchten H‑Profilwellen vorgestellt, deren Gegenüberstellung mit den experimentellen Werten der Verbindung zudem die Wirkung der tribologischen Beanspruchung im Kontakt zwischen Welle und Nabe auf die Gestaltfestigkeit aufzeigt.Die zu den herkömmlichen Formschlussverbindungen vergleichsweise niedrigen Kerbwirkungszahlen der alleinigen H‑Profilwellen und auch der Verbindungen mit Nabe aufgrund der geometriebedingt geringeren Kerbwirkung lassen in Kombination mit einer wirtschaftlichen Herstellbarkeit hypotrochoidischer Profile eine erfolgversprechende Zukunft erwarten.