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