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Faserverbundkunststoffe

Richtig Welle machen – Lasteinleitungsvarianten für Composite-Rohrprofile

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Neue Verbindungen für hohe Lasten und große Stückzahlen

Besonders attraktiv für höhere Stückzahlen und größere zu übertragende Momente sind Profilverbindungen. Hierbei ist die Verbindung kraftschlüssig ausgeführt. Diese Welle-Nabe-Verbindungen ähneln einer klassischen Keilwellenverbindung. Es wird jedoch eine Abrundung der Zähne vorgenommen, um Spannungsspitzen im Bauteil zu minimieren. Zudem ist der Lagenaufbau genau auf die Werkstoffanforderungen abzustimmen. Die Berechnung einer optimalen Zahnanzahl und die Steigung der Rundungen wurden vom Leichtbau-Zentrum Sachsen genau untersucht. Vorteil dieser Verbindungsart ist die Möglichkeit, die Profile in einem Strangziehverfahren („Pultrusion“) endlos zu fertigen. Das macht diese Verbindungsart besonders attraktiv für Anwendungsbereiche mit hohen Stückzahlen und anspruchsvollen Kostenzielen wie der Automotivesparte.

Bei sehr großen zu übertragenden Momenten ist eine Profilverbindung mit einem diskontinuierlichen Profil zu wählen. Hier ist nur in der endseitigen Lasteinleitungszone ein Profil eingebracht und der Rest der Welle ist kreiszylindrisch, also für Torsionsmomente ideal ausgeführt. Diese Konfiguration erhöht aber wiederum den Fertigungsaufwand.

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Die drei Verbindungsarten Längspressverband, Profil kontinuierlich und Profil diskontinuierlich sind je nach Anwendungsfall auszuwählen. Auf Abbildung 2 sind die erreichbaren Leistungsgrade bezogen auf die Radienverhältnisse aufgetragen. Als Leistungsgrad wird das Verhältnis von in die Welle einleitbarem Moment zur Tragfähigkeit der Welle bezeichnet – üblicherweise werden hier 100% angestrebt. Das Radienverhältnis ist das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser. Je größer dieser Wert ist, desto dickwandiger ist die Welle. Bis zu einem Radienverhältnis von ca. 1,15 spricht man von dünnwandigen, ab einem Radienverhältnis von ca. 1,3 von dickwandigen Wellen.

Im Diagramm zeigt sich für dünnwandige Wellen und somit eher niedrigere Lasten der Pressverband als optimale Verbindung, bei der recht einfache metallische Elemente zum Einsatz kommen können. Bei steigendem Radienverhältnis und ggfs. erhöhten Robustheitsanforderungen wird die kontinuierliche Profilverbindung attraktiv, wobei die geometrische Gestaltung einen recht weiten Tragfähigkeitsbereich ermöglicht. Bei explizit dickwandigen Wellen und höchsten Lastanforderungen ist die diskontinuierliche Profilverbindung dann das Mittel der Wahl.

Die Möglichkeiten bei der Einleitung von Lasten in FVK-Strukturen sind so vielfältig wie ihre Anwendungsbereiche. Das bedeutet, dass es nicht eine „richtige“ Lösung für jeden Einsatzfall gibt. Das zu erwartende Lastkollektiv, der vorhandene Bauraum und die nötigen Leistungsgrade müssen bekannt sein. Dann erlaubt die große Auswahl an inzwischen erprobten Lösungen dem Konstrukteur, eine dem Anwendungsfall optimal angepasste und wirtschaftlich attraktive Lösung zu finden. (qui)

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* Dr. Florian Lenz, Kai Rieger Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH, Dresden

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