Faserverbundkunststoffe Richtig Welle machen – Lasteinleitungsvarianten für Composite-Rohrprofile

Autor / Redakteur: Dr. Florian Lenz, Kai Rieger* / Dipl.-Ing. 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.

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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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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