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Open Access 2022 | Open Access | Book

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Optimierung der Tragfähigkeit von Zahnwellenverbindungen

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About this book

In diesem Open-Access-Buch wird gezeigt, dass die Tragfähigkeit evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen auf geradezu revolutionäre Art und Weise gesteigert werden kann, wenn für ihre Realisierung nicht das System zur Bezugsprofilgenerierung der [DIN 5480], sondern das in dieser Dissertation neu entwickelte, hoch innovative System zur Profilgenerierung zugrunde gelegt wird. Mit ihm werden, wie mit umfangreichsten Studien belegt wird, die Gestaltfestigkeitsgrenzen nicht nur verschoben, sondern völlig neu definiert. Des Weiteren werden Näherungsgleichungen zur Beschreibung der für das Kriterium der Gestaltfestigkeit optimalen Geometrien sowie für ihre zur nennspannungsbasierten Auslegung erforderlichen Grundgrößen entwickelt. Diese vereinfachen die optimale Ausführung evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen außerordentlich. Darüber hinaus wird widerlegt, dass alternative Profilformen, die in der Regel erhebliche wirtschaftliche Nachteile haben, Tragfähigkeitsvorteile aufweisen. Mit dem neuen System zur Profilgenerierung ist nicht nur das volle Potenzial evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen erschlossen, sondern zudem deren Anpassung an die an sie gestellten Anforderungen respektive Versagenskriterien möglich.

Table of Contents

Frontmatter

Open Access

Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
In der Antriebstechnik ist die Übertragung dynamischer und oft stoßartig auftretender Torsionsmomente \(M_{t}\) von einer Welle zur Nabe oder umgekehrt eine häufige Problemstellung. Hierfür sind Profilwellenverbindungen im Allgemeinen besonders geeignet. Als Resultat ihrer fertigungsbedingt wirtschaftlichen Vorteile, finden in weiterführender Konkretisierung evolventisch basierte Zahnwellenverbindungen nach [DIN 5480] für die genannten Anforderungen gegenwärtig breite Anwendung. Ihre Gestaltfestigkeitsgrenzen werden in der Praxis allerdings immer öfter erreicht. Problem hierbei ist oftmals die hohe zugseitige Spannungskonzentration im Zahnfuß der Welle, vgl. Abbildung 1.1.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 2. Stand der Technik
Zusammenfassung
Wie Kapitel 1.1 entnommen werden kann, ist die geometrische Optimierung evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen für das Kriterium der Gestaltfestigkeit das mit dieser Dissertation übergeordnet zu lösende Problem. Zu optimieren sind jedoch explizit nicht die dem Stand der Technik entsprechenden Verbindungen nach [DIN 5480]. Kann mit ihnen doch mitnichten das volle Gestaltfestigkeitspotenzial evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen genutzt werden. Hier leistet das in Kapitel 3.2 entwickelte und in Kapitel 3.3 zur einfachen Anwendung dargelegte System zur Profilgenerierung Abhilfe. Es sind die diesem System entstammenden Verbindungen, deren Optimierung Ziel des vorliegenden Werkes ist.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 3. Geometriebezogene Definitionen, Entwicklungen und Betrachtungen
Zusammenfassung
Gegenstand der geometriebezogen getroffenen Definitionen, realisierten Entwicklungen und durchgeführten Betrachtungen ist zunächst die kritische Analyse sowohl der Systematik als auch des Systems zur Bezugsprofilgenerierung evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen der [DIN 5480]. Im Rahmen dieser werden funktionale Probleme und geometrische Restriktionen aufgezeigt. Möglichkeiten zur mathematischen Vereinfachung werden ausgearbeitet. Wie unter anderem in Kapitel 1.2 dargelegt, sind allerdings die ebenfalls dort formulierten Zielsetzungen dieser Dissertation nicht mit dem System zur Bezugsprofilgenerierung evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen der [DIN 5480] realisierbar.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 4. Numerikbezogene Definitionen, Entwicklungen und Betrachtungen
Zusammenfassung
Um für evolventisch basierte Zahnwellenverbindungen nach Kapitel 3.3, wenn denn existent, geometrieparameterspezifische Optima für das Kriterium der Gestaltfestigkeit bestimmen beziehungsweise, wenn denn nicht existent, Empfehlungen für ihre günstige Gestaltung definieren zu können, ist die Ermittlung der entsprechenden Festigkeit zahlreicher derartiger Verbindungen Grundvoraussetzung. Mit den in diesem Zusammenhang festgelegten Parameterfeldern, vgl. die Kapitel 4.3.1, 6.2.2 sowie 6.3.2, kann der zu bewältigende enorme Arbeitsaufwand grob abgeschätzt werden. Nicht angeführt sind hierbei weitere mannigfaltige Voruntersuchungen.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 5. Experimentbezogene Definitionen, Entwicklungen und Betrachtungen
Zusammenfassung
Wie bereits in Kapitel 4 erläutert, ist die Durchführung von FE-Simulationen bei lediglich stichprobenartig experimenteller Ergebnisabsicherung eine in der Wissenschaft und Technik bewährte Strategie zur systematischen Analyse strukturmechanischer Sachverhalte. Dies ist auf ihre Effizienz zurückzuführen. Aus diesem Grund findet sie auch zur Ergebnisgenerierung für diese Dissertation Anwendung, wodurch für diesen Zweck geeignete experimentelle Ergebnisse zwingend erforderlich sind.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 6. Optimierung der Grundform
Zusammenfassung
Wesentlicher Bestandteil dieser Dissertation ist die Optimierung evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen nach Kapitel 3.3 mit quasi endlos verzahnter Welle für das Kriterium der Gestaltfestigkeit, wobei Nabenbreite \(b\) sowie Nabenrestwandstärke so gewählt sind, dass sie ihrem jeweils asymptotischen Einflussbereich entstammen, vgl. Kapitel 2.5.1. Derartige Verbindungen werden in diesem Werk als Grundform evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen bezeichnet. Ihre exakte Definition ist essenziell und demnach Gegenstand von Kapitel 6.1.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 7. Weiterführende Optimierung
Zusammenfassung
Im Forschungsvorhaben [FVA 467 II] wurden evolventisch basierte Zahnwellenverbindungen nach [DIN 5480] analysiert. Übergeordnetes Ziel hierbei war es, die zu diesem Zeitpunkt gegebenen Möglichkeiten zur Abschätzung der Kerbwirkung, vgl. unter anderem die [DIN 743] sowie die [DIN 5466], zu präzisieren und zu vervollständigen. Um dies zu erreichen, wurden am Institut für Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal experimentelle und am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion der Technischen Universität Dresden numerische Untersuchungen durchgeführt.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 8. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Häufige Problemstellung in der Praxis ist die Übertragung hoher und oftmals zudem stoßartig auftretender Torsionsmomente \(M_{t}\). Für diese Anforderungen stellten evolventisch basierte Zahnwellenverbindungen nach [DIN 5480] bislang den Stand der Technik dar. Der kontinuierlichen Steigerung der Leistungsdichte geschuldet, wurden ihre Gestaltfestigkeitsgrenzen jedoch immer häufiger erreicht.
Jochen Wild

Open Access

Kapitel 9. Ausblick
Zusammenfassung
Die Gestaltfestigkeit evolventisch basierter Zahnwellenverbindungen ist ein großes und komplexes Themengebiet. Zwar sind durch die mit dieser Dissertation veröffentlichten Ergebnisse, Erkenntnisse und Entwicklungen zahlreiche Fragestellungen beantwortet. Allerdings existieren weiterführende technische Sachverhalte, die wissenschaftliche Klärung erfordern.
Jochen Wild
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Metadata
Title
Optimierung der Tragfähigkeit von Zahnwellenverbindungen
Author
Jochen Wild
Copyright Year
2022
Electronic ISBN
978-3-658-36961-3
Print ISBN
978-3-658-36960-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-36961-3