Ultraleichte Antriebswelle

Aufgrund ihrer effizienzsteigernden Wirkung spielen Leichtbaukonzepte bei der Auslegung von Hochleistungsmaschinen und verkehrstechnischen Systemen eine zunehmend wichtige Rolle. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz von ultraleichten Antriebswellen in Faserverbund-Metall-Mischbauweise. Neben ihrem leichten Gewicht weisen Faserverbundwerkstoffe im Vergleich zu konventionellen Materialien wie Stahl vorteilhafte mechanische Eigenschaften in Bezug auf Festigkeiten und Steifigkeiten auf. Dadurch ergeben sich mehr Freiheitsgrade bei der Komponentenauslegung. Um die Konstrukteure bei der Auswahl und Gestaltung von Leichtbauantriebswellen zu unterstützen, wurde im Projekt ein neuartiger Gestaltungskanon für Welle-Nabe-Verbindungen „GWeN“ entwickelt. GWeN basiert auf umfassenden numerischen und experimentellen Untersuchungen. Der Kanon zeigt die primären Gestaltungsparameter und die Einsatzgrenzen der ausgewählten Verbindungsarten auf.

Motivation

Um die Effizienz von Hochleistungsmaschinen und verkehrstechnischen Systemen zu steigern, bietet sich der Einsatz von Leichtbau-Antriebswellen auf Basis von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an. Diese Antriebswellen sind meist in Faserverbund-Metall-Bauweise ausgeführt und im Vergleich zu konventionellen Stahlwellen nur halb so schwer. Die Bauweise ist dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Wellenbereich aus CFK besteht und die Lasteinleitung über die Werkstoffe Aluminium oder Stahl erfolgt. Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, Gestaltungsrichtlinien für diese ultraleichten Antriebswellen zu entwickeln.

Methodik

Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildeten numerische Analysen verschiedener formschlussdominierter Verbindungstypen. Sie beinhalteten Parameterstudien zu Pin-, Bolzen- und Profilverbindungen für unterschiedliche Geometrierandbedingungen. Im Fokus der experimentellen Arbeit standen statische Belastungstests an einer neu entwickelten Prüfeinrichtung. Auf Basis der Simulationen und der Testergebnisse wurden Gestaltungsaussagen abgeleitet und die Auslegungsmethodik GWeN entwickelt. GWeN weist primäre Gestaltungsparameter für jede der drei Verbindungsarten sowie deren Einsatzgrenzen, z.B. hinsichtlich der Wandstärken oder der maximalen Anzahl von Verbindungselementen, aus.

Ergebnis

Mit dem Gestaltungskanon GWeN steht ein Regelwerk zur einfachen Auslegung von ultraleichten Antriebswellen zur Verfügung. Er berücksichtigt die Verbindungsarten Bolzen, Pin und Profil und kann die Auswirkung unterschiedlicher Parameterkombinationen auf das Tragverhalten der Verbindung ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass die Verbindungsgestaltung bei Bolzen und Profil einen eher geringen Einfluss auf die Tragwirkung hat. Solange ein ausreichender Querschnitt an Verbindungselementen vorliegt, ist eine vollständige Lasteinleitung in das Faserverbundrohr möglich. Pins hingegen sollten als von Fasern umschlossene Elemente einen möglichst kleinen Querschnitt aufweisen. Ein weiteres Auswahlkriterium ist das wirtschaftliche Potenzial der Verbindungstypen. GWeN bietet hierzu eine qualitative Aussage zu geeigneten Verbindungstechniken in Bezug auf unterschiedliche Stückzahlen und Anwendungsfelder an.

Dokumentation

Ultraleichte Antriebswelle | Hochleistungsantriebswellen in ultraleichter Mischbauweise: Neue praxisgerechte Gestaltungsrichtlinien für hochbeanspruchte Welle-Nabe-Verbindungen | Vorhaben-Nr. 1069 | AiF-Fördernummer 17085 BR

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