Beitrag zur Gestaltung und Auslegung rotationssymmetrischer dickwandiger Pressverbindungen mit orthotropen Fügepartnern
Philipp Fahr
Für rotationssymmetrische Pressverbindungen zwischen außenliegenden Wellen aus Faserverbundwerkstoff und Stahlnaben besteht bei dickwandigen Fügepartnern Forschungsbedarf hinsichtlich einfacher Auslegungsvorgehensweisen und Gestaltungsempfehlungen. In der vorliegenden Arbeit werden mechanische und tribologische Aspekte von Pressverbindungen sowie Vereinfachungen, wie sie bei analytischen Ansätzen getroffen werden, untersucht. Darauf aufbauend werden Auslegungsempfehlungen ausgesprochen. Aus der experimentellen und numerischen Untersuchung verschiedener Gestaltungsparameter der Welle werden Gestaltungsempfehlungen abgeleitet.
Die bei einfachen Auslegungsvorgehensweisen zur Bestimmung der Einpresskraft, der Auszugskraft und des übertragbaren Torsionsmoments vernachlässigten Aspekte werden identifiziert. Numerische Berechnungen zeigen zum einen, dass die Vernachlässigung der elastischen Deformationskraft beim Einpressen und des viskoelastischen Materialverhaltens der Welle eine nicht konservative Auslegung zur Folge hat. Zum anderen wird nachgewiesen, dass der Einfluss der Querkontraktion beim Einpress- und Auszugsvorgang auf den Fugendruck stark vom Faserwinkel abhängig ist. Anhand experimenteller Untersuchungen wird nachgewiesen, dass ein Einebnen der Rauheit der Stahlnabe stattfindet und das Rauheitsprofil der Stahlnabe vollständig mit Polymermatrix ausgefüllt ist. Beide Sachverhalte haben ein effektives Übermaß zur Folge, das geringer als das gemessene ist. Für die Reibkoeffizienten zwischen Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff zeigt sich, dass der Einfluss der Oberflächenrauheit der Stahlnaben auf die Reibkoeffizienten von der Belastungsrichtung abhängig ist. Die Relevanz der untersuchten Aspekte wird bewertet und der Einfluss der Wellenwandstärke diskutiert.
Es wird gezeigt, dass die Vereinfachungen eines analytischen Ansatzes, der von dünnwandigen, endlich ausgedehnten Pressverbindungen und orthotropen Fügepartnern ausgeht, für verschiedene Laminate unterschiedlich relevant sind. Aufgrund dieser Vereinfachungen wird der Mittelwert des Fugendrucks überschätzt, was in allen Fällen mit zunehmender Wellenwandstärke zunimmt.
Der Einfluss wichtiger Gestaltungsparameter auf den Einpressvorgang und das übertragbare Torsionsmoment wird experimentell bei Raumtemperatur untersucht. Anhand numerischer Parameterstudien werden Aussagen zur Effektivität von Parameteränderungen getroffen und Gestaltungsempfehlungen abgeleitet.
