antriebstechnik 11/2021

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
04 Maßgebende Geometrie- und Rändelprofilparameter der
Rändelverbindung [1]
besitzt dabei eine Dreifachfunktion: Axialwerkzeug, Tangential-
Torsionsmomentübertragung sowie Biegemomentübertragung
(Abstützung und Reibschluss). Durch den Paarungsbau ergibt
sich eine gleichmäßige Belastung aller Zähne, die zu einer Steigerung
der Übertragungsfähigkeit führt. Spielfreiheit sowie Toleranz-
und Temperaturunempfindlichkeit vereinen Vorteile von
reib- und formschlüssigen WNV. Die Verwendung dünnwandiger
Naben (Q A
≥ 0,7) und verschiedener Werkstoffkombinationen ist
ebenso möglich.
Analog zur ZWV bildet sich zusätzlich zum tangentialen Formschluss
ein Reibschluss aus. Dieser Reibschluss kann in Abhängigkeit
des Fügevorganges erhöht und zusätzlich für die Übertragungsfähigkeit
in Längsrichtung genutzt werden [1]. Somit
kommt dem Fügevorgang eine wichtige Bedeutung für das Betriebsverhalten
einer reibformschlüssigen Rändelverbindung zu.
Überwiegend wird dieser vom Fasenwinkel ϕ der Welle sowie der
Verformbarkeit bzw. Zerspanbarkeit des Nabenwerkstoffes geprägt.
Beim Fügen sind zwei Ausprägungen zu unterscheiden:
n Formen
n Schneiden
In Bild 02 ist der Fasenwinkel ϕ der Welle, ausgehend vom Formen
mit zunehmender Tendenz zum Schneiden dargestellt.
Bei einem Fasenwinkel ϕ von 5° ≤ ϕ ≤ 15° findet ein rein formender
Fügevorgang statt ([1], [4], [5] und [6]) - Rändelpressverbindung.
Die Rändelgeometrie der Welle bildet sich infolge des
Längseinpressens nahezu spanlos in der weicheren Nabe ab. Die
radialen und tangentialen Verschiebungen in der Fügezone führen
zu einem hohen Fugendruck, der sich wie beim PV günstig
auf das Betriebsverhalten auswirkt. Neigt der Nabenwerkstoff zur
Kaltverfestigung, kann diese zur Steigerung der Tragfähigkeit genutzt
werden.
Bei einem Fasenwinkel ϕ > 60° bildet sich ein vorwiegend
schneidender Fügevorgang aus - Rändelschneidverbindung. Der
Nabenwerkstoff wird dabei im Bereich der Rändel axial herausgeschnitten.
Der rein schneidende Fügevorgang hat gegenüber
dem formenden Fügevorgang den Vorteil eines geringen Fügekraftbedarfes
sowie einer geringen Aufweitung (und somit geringeren
Beanspruchung) der Nabe [1], [2], [4] und [5]. Durch eine
leicht konische Gestaltung der Welle (0,5° - 1,5°) kann auch beim
schneidenden Fügevorgang eine Verbindung mit Fugendruck erzeugt
werden mit den zuvor genannten Vorteilen. Die Aufweitung
der Nabe sollte ab QA > 0,5 berücksichtigt werden [1], [7]. Wenn
die Späne nach dem Fügevorgang nicht abgeführt werden können,
müssen diese in einem dafür vorgesehenem Spanraum verbleiben
[2]. Dies ist bezüglich des Bauraums zu berücksichtigen.
Bei einem Fasenwinkel von 15° ≤ ϕ ≤ 60° liegt eine Kombination
des formenden und schneidenden Fügevorgangs vor. Der
Schneidevorgang und die Eigenschaften der Verbindung in
diesem formend/schneidenden Bereich streuen stark, bieten
keine wirklichen Vorteile gegenüber den zuvor beschriebenen
Winkelbereichen und sind daher weder praxis- noch forschungsrelevant.
Neben dem Fasenwinkel ϕ zeigt Bild 03 eine Vielzahl an charakterisierenden
Einflussgrößen auf Rändelverbindungen wie
Geometrie, Rändelprofil, Werkstoff, Fügevorgang, Belastung,
sekundäre Belastung und Tribologie.
Die geometrischen Einflussgrößen beziehen sich bei Rändelverbindungen
vorwiegend auf das Rändelprofil selbst, siehe
Bild 04. Die aufgeführten Parameter stellen Einflussgrößen auf
die Eigenschaften beim Fügevorgang und bei Belastung der Verbindung
dar. Im Rahmen des Auslegungsprozesses sind diese
entsprechend deren Einfluss und Limitierungen zu wählen.
4 STAND DER WISSENSCHAFT
Wie eingangs erwähnt, ist die hohe Tragfähigkeit von Rändelverbindungen
in der Praxis nachgewiesen. Die dargestellte Vielzahl
an Einflussgrößen stellt dabei gleichsam Potential zur Gestaltung
leistungsfähiger Verbindungen wie Komplexitätssteigerung für
eine hinreichende Charakterisierung dieses Verbindungstyps
dar. Infolge dessen fehlen allgemeingültige Richtlinien und Gleichungen
zur Berechnung der Fügekraft sowie des übertragbaren
Torsionsmomentes. Somit müssen Verbindungen für spezifische
Anwendungen aktuell aufwändig empirisch oder numerisch entwickelt
werden. Andernfalls werden Potentiale nicht ausgeschöpft
oder kommen Rändelverbindungen erst gar nicht zum Einsatz.
Auch die Forschungsarbeiten von BADER [2], LÄTZER [1],
MÄNZ [4], LEIDICH et. al. [5], SCHERZER [9] und MÖRZ et. al.
[6], [7] und [10], die durch unterschiedliche Herangehensweisen
und nur teilweise vergleichbaren Materialkombinationen
gekennzeichnet sind, bieten in Ihrer Gesamtheit „noch“ keine
umfassende Beschreibung der Rändelverbindungen. Sie bilden
aber eine vielversprechende Basis und somit die Grundlage für
die folgende Darstellung des aktuellen Wissenstandes auf dem
Gebiet der Rändelverbindungen. Nachfolgend werden auszugsweise
die analytischen Berechnungsgleichungen von BADER,
LÄTZER, MÄNZ, LEIDICH et. al. sowie numerische und experimentelle
Untersuchungsergebnisse von SCHERZER und MÖRZ
et. al. aufgeführt.
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/11 49