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Faserverbundkunststoffe Richtig Welle machen – Lasteinleitungsvarianten für Composite-Rohrprofile

| Autor/ Redakteur: Dr. Florian Lenz, Kai Rieger* / Dorothee Quitter

Bei Faserkunststoffverbunden sind etablierte Fügeverfahren nur begrenzt sinnvoll. Am Leichtbauzentrum Sachsen wurden nun neue Varianten der Lasteinleitung untersucht.

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Abbildung 1: Am LZS realisierte FKV-Antriebswelle mit Profilverbindung (diskontinuierliche Ausprägung für höchste mechanische Leistungsfähigkeit)
Abbildung 1: Am LZS realisierte FKV-Antriebswelle mit Profilverbindung (diskontinuierliche Ausprägung für höchste mechanische Leistungsfähigkeit)
(Bild: LZS)

Der Einsatz von Faserkunststoffverbunden (FKV) ist lange nicht mehr exklusiv der Luft- und Raumfahrt und den Hochleistungssportgeräten vorbehalten. Im Automobilbereich und Maschinen- und Anlagenbau werden FKV durch sinkende Werkstoffkosten und produktivere Fertigungsprozesse attraktiver. Nicht nur Gewichtseinsparung, sondern auch die hohe erreichbare Steifigkeit und die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit erweitern das Anwendungsspektrum von FKV. Um diese Vorteile voll ausnutzen zu können, müssen die Besonderheiten bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

So können bei der klassischen Produktentwicklung die Komponenten eher sequenziell entworfen werden. Bei FKV müssen die Verstärkungsarchitektur, die Fügetechniken und Formwerkzeuge interaktiv entwickelt werden. Die Substitution einer vorhandenen Metallkonstruktion durch FKV ohne konstruktive Änderung endet spätestens an den Krafteinleitungspunkten mit einem vorzeitigen Werkstoffversagen. Grund hierfür: Die eher hart-elastischen FKV müssen mit duktilerem Metall unter Beachtung von Masse und Kosten werkstoffgerecht „verheiratet“ werden. Einige Ansätze hierfür werden im Folgenden beschrieben.

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Bekannte Fügetechniken kompromissbehaftet

Am Beispiel von Antriebswellen lassen sich verschiedene Verbindungskonzepte gut illustrieren. Der Lagenaufbau von Verbundwellen lässt sich je nach Anforderungsprofil (Torsions- und Biegemomente, Eigenfrequenzen) einstellen. Für diese Anforderungen werden aber auch dem Lastkollektiv entsprechende Lasteinleitungen benötigt. Die Verbindung mit Bolzen hat den Vorteil, dass es sich um ein etabliertes Fügeverfahren handelt, was gerade in der Luftfahrt häufig eingesetzt wird. Nachteil dieser Verbindung ist der hohe Fertigungsaufwand, die hohe Masse und die vielen Zusatzelemente. Zudem besteht meist die Notwendigkeit, am Lasteinleitungsbereich die Welle aufzudicken, was über den zusätzlichen Fertigungsschritt Kosten verursacht und durch das zusätzliche Material die Masse erhöht. Hier wurden in den letzten Jahren attraktivere Varianten der Lasteinleitung entwickelt.

Eine weitere Möglichkeit ist das Einbetten von Stiften, die sich auf der Nabe befinden. Diese werden meist schweißtechnisch auf das metallische Anbindungsstück aufgebracht, während der Faserablage von Fasersträngen umfasst und schließlich bei der Benetzung mit Matrixmaterial formschlüssig mit dem Wellengrundkörper verbunden. Diese Schritte führen dabei zu einer recht aufwändigen Herstellung. Zudem haben Versuche eine eingeschränkte dynamische Festigkeit dieser Verbindung gezeigt.

Bekannt aus den klassischen Metallverbunden ist der Längspressverband: Hier werden metallische Verbindungspartner mit der Faserverbundwelle kraftschlüssig verpresst. Innenliegende metallische Lasteinleitungselemente werden am Ende von Wellen eingeschoben. Eine Mikroverzahnung bzw. Rändelung ermöglicht je nach Lastniveau neben Torsionsmomentübertragung auch die Übertragung von Axialkräften. Diese Verbindungsart befindet sich bereits im kommerziellen Serieneinsatz, wenn auch bei sehr hohen Lasten und hinsichtlich Alterungs- und Setzeffekten noch Fragen für den Anwender bestehen.

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